台积电STT-MRAM技术细节讲解

在ISSCC 2020上台积电呈现了其基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT－MRAM。该MRAM具有10ns的读取速度，1M个循环的写入耐久性，在150度下10年以上的数据保持能力和高抗磁场干扰能力。

ULL 22nm STT－MRAM的动机

与闪存相比，TSMC的嵌入式STT－MRAM具有明显的优势。闪存需要12个或更多额外的掩模，只能在硅基板上实现，并且以页面模式写入。而STT－MRAM在后段（BEOL）金属层中实现，如图1所示，仅需要2－5个额外的掩模，并且可以字节模式写入。

该STT－MRAM基于台积电的22nm ULL （Ultra－Low－Leakage）CMOS工艺平台，具有10ns的极高读取速度，读取功率为0．8mA ／MHz／bit。对于32Mb数据，它具有100K个循环的写入耐久性，对于1Mb数据，具有1M个循环的耐久性。它支持在260°C下进行90s的IR回流焊，在150°C下10年的数据保存能力。它以1T1R架构实现单元面积仅为0．046平方微米，25度下的32Mb阵列的漏电流仅为55mA，相当于在低功耗待机模式（LPSM，Low Power Standby Mode）时为1．7E－12A ／ bit。。它利用带有感应放大器微调和1T4R参考单元的读取方案。

图1． M1和M5之间的BEOL金属化层中的STT－MRAM位单元的横截面。

1T1R MRAM的操作和阵列结构

为减小写电流路径上的寄生电阻，采用了两列公共源极线（CSL，common source line ）阵列结构，如图所示。

图2．1T1R单元在带有2列CSL的512b列的阵列示意图

字线由电荷泵过驱动，以提供足够的数百毫安的开关电流用于写操作，要求将未选择的位线偏置在“写禁止电压”（VINHIBIT，write－inhibit voltage）上，以防止访问时在所选行中未选中列的晶体管上产生过高的电应力。为了减少未选中的字线上的存取晶体管的位线漏电流，该字线具有负电压偏置（VNEG）。用于读取，写入－0和写入－1的阵列结构的偏置如图3所示。

图3．读，写0和写1操作的字线和位线的单元阵列电压表。

MRAM读取操作

为了从LPSM快速，低能耗唤醒以实现高速读取访问，它采用了细粒度的电源门控电路（每128行一个），分两步进行唤醒（如图4所示）。电源开关由两个开关组成，一个开关用于芯片电源VDD，另一个开关用于从低压差（LDO， Low Drop－Out ）稳压器提供VREG的稳定电压。首先打开VDD开关以对WL驱动器的电源线进行预充电，然后打开VREG开关以将电平提升至目标电平，从而实现＜100ns的快速唤醒，同时将来自VREG LDO的瞬态电流降至最低。

图4．具有两步唤醒功能的细粒度电源门控电路（每128行一个）。

图5所示的隧道磁电阻比（TMR）House曲线是反平行状态Rap与平行状态Rp之间的比率随电压的变化，在较高温度下显示出较低的TMR和较小的读取窗口。

图5 TMR的House曲线显示了在125°C时减小的读取窗口

Rap和Rp状态的电阻分布，当计入位线金属电阻和访问晶体管电阻时，总的读取路径上的电阻，在两个状态之间的差值减小，如图6所示。

图6．Rap和Rp的电阻分布间距在计入寄生电阻时变小

为了感测MTJ的电阻，必须在读取期间将其两端的电压通过晶体管N1和N2钳位到一个低值，以避免读取干扰，并对其进行微调以消除感测放大器和参考电流偏移。参考电阻是1T4R配置R？（R p ＋ R ap）／ 2 ＋ R1T，如图7所示。

图7．具有微调能力的感测放大器显示了晶体管N1和N2上的读取钳位电压，以防止读取干扰。参考R（R p ＋ Rap）／ 2 ＋ R1T

如图8，读取时序图和shmoo图所示，这种配置在125°C时能够实现小于10ns的读取速度。

图8． 125°C时的读取时序图和读取shmoo图。

审核编辑：符乾江