mram開発の現状と課題mram開発の現状と課題 - osaka ...2003/04/25 · e-mail:...
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MRAM開発の現状と課題MRAM開発の現状と課題
2003年 4月 25日
*日本電気株式会社**株式会社 東芝
***株式会社 東芝 セミコンダクター社
波田博光*、田原修一*、浅尾吉昭***、與田博明**
E-mail: h-hada@bp.jp.nec.com
日本学術振興会シリコン超集積化システム第165委員会
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OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの構成• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
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3
OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの原理とプロセスフロー• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
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記憶容量1M 1G 1T記憶機構
電荷蓄積
DRAMFLASHSRAM
強磁性
MRAMHDD
強誘電性FeRAM
トンネル他リーク
サブVtリーク
ドメインサイズ
ドメインサイズ
電荷蓄積型(従来型)はトンネルリークの壁新たな記憶機構がキーポイント
従来型メモリの限界従来型メモリの限界
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5
MRAMと他メモリの比較MRAMと他メモリの比較
RAM operationFast Write & Read
ROM operationFast ReadSlow Write
Write Time (sec)
Cos
t (C
ell A
rea)
FLASH
EEPROM
100n 10µ 1m1n
HDDLarge File Memories
Cache MemoriesSmart Cards
ROM operation (Nonvolatile)RAM operation (Volatile)
SRAMFeRAM
RAM operation+Nonvolatile
MRAM
Main MemoriesDRAM
File Memories for Mobile Computers
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MRAMの特徴MRAMの特徴
• 不揮発性• 高速書き込み/読み出し• 書き換え回数無限• 低電圧動作• 潜在的にDRAM、Flashと同等のセルサイズ
全てのメモリを置き換える可能性を秘めている
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不揮発性メモリの応用分野不揮発性メモリの応用分野
ファイルメモリ
スマートカード
Wearable navi.
モバイルAV
デジタルカメラMP3プレーヤ
デジタルビデオ
ITS
ETC
PDA
スマートフォン
GPS
携帯電話
ROM RAM
混載
Stand-alone ハンドヘルドPC
不揮発DRAM
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OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの構成• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
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ワード線
(下層配線)
ビット線
(上層配線)
ピン層(固定磁化層)
フリー層(記憶磁化層)
絶縁膜
“0”
“1”
メモリセルアレイ(下層配線)
ワード線
ビット線
(上層配線)
メモリセルTMR効果
フリー層、ピン層の磁化が平行/反
平行 で電流値が30%程度変化する
メモリセル読み出し電流
~30nm
Ta(3 nm)
NiFe(2 nm)
Al (t)→Ox
IrMn(10 nm)
Ta(3 nm)
NiFe(5 nm)
CoFe(3 nm)
Ta(3 nm)
NiFe(2 nm)
Al (t)→Ox
IrMn(10 nm)
Ta(3 nm)
NiFe(5 nm)
CoFe(3 nm)
MRAMの読み出し動作MRAMの読み出し動作
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下層配線(ワード線)
上層配線(ビット線)
メモリセル
書き込み電流
書き込み電流
電流磁界
電流磁界
Hy(Ix)
Hx(Iy
Hy(Ix)
Hx(Iy)
合成磁場
MRAMの書き込み動作MRAMの書き込み動作
アステロイド曲線セルアレイ
選択セルのみが磁化反転
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MRAMの2つの方式MRAMの2つの方式
[クロスポイント方式]
大容量高速書き込み(数10MB/s)
[選択Tr方式]
Word line
Bit lineSelect
VH
VL
Bit line
ReadWord line
ProgramWord line
Select
VH
VH
選択Trが必要
高速R/W高書き換え耐性
Flash置き換え DRAM置き換え
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プロセスフロープロセスフロー(1) MTJ Film Depo.
(2) MTJ Etching
(3)MTJ BASE Etching
(4) Interlayer SiO2 Depo.
(5) MTJ Via Etching
(6) Al Depo., Etching
Al2O3
Via
SiO2
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メモリセルアレイ部SEM像メモリセルアレイ部SEM像
MTJ
Via
BASE
MTJ size:0.6µm X 1.2µm
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OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの構成• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
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4K bit MRAM チップ写真4K bit MRAM チップ写真
0.25µm CMOS+ 0.6µm MRAM Process
チップサイズ:15 x 19.2mm2
サブチップサイズ:5 x 5 mm2
代表的なセルサイズ1T1R:2.6x2.2um2=5.72um2
CP:1.6x2.8um2=4.48um2
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4K bit MRAM Fail bit Map4K bit MRAM Fail bit Map
3 2 0 1 7 6 4 5 11 10 8 9 15 14 12 13 19 18 16 17 23 22 20 21 27 26 2425 31 3028 29 3534 32 33 39 38 36 37 43 42 40 41 47 46 44 45 51 50 48 49 55 54 5253 59 5856 57 6362 60 610 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 12 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 23 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 34 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 45 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 56 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 67 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 78 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 89 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 910 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1011 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1112 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1213 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1314 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1415 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1516 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1617 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1718 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1819 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1920 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2021 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2122 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2223 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2324 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2425 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2526 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2627 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 2728 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 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0 4344 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4445 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4546 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4647 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4748 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4849 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 4950 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5051 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5152 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5253 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5354 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5455 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5556 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5657 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5758 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 5859 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5960 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6061 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 6162 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6263 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 63
3 2 0 1 7 6 4 5 11 10 8 9 15 14 12 13 19 18 16 17 23 22 20 21 27 26 2425 31 3028 29 3534 32 33 39 38 36 37 43 42 40 41 47 46 44 45 51 50 48 49 55 54 5253 59 5856 57 6362 60 61
Word line
Bit lin
e
9
17
4K bit MRAM 不良解析4K bit MRAM 不良解析
・読み込み不良
(2)誤書き込み ~ 5%(選択セル以外への書き込み)
(2)トンネル抵抗のショート ~ 5%
・リファレンスセルがショート ~ 5%→ ワード線に沿った不良
(3)下部電極間ショート ~ 5%→ビット線に沿った不良
(1)トンネル抵抗のばらつき ~ 0%
・書き込み不良
(1) 書き込み電流不足 ~ 0%
18
OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの構成• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
10
19
0.1µm×0.6µm MTJ作製プロセス0.1µm×0.6µm MTJ作製プロセス
Resist maskHardmask
Bit line
TMR
Word line
SiO2Metal
2層ハードマスクによるダメージ低減プロセス開発
レジストシュリンク技術による微細セル構造実現
エンドポイントモニタリング技術の確立
ワード線
ビット線
0.1μmMTJ
20
0.1µm×0.6µm MTJ-MRAM動作確認0.1µm×0.6µm MTJ-MRAM動作確認
配線電流による誘起磁場でのデータ書き込み
書き込みパルス30ns以下(1µm×2µmセル)
書き換え耐性1010以上( 1µm×2µmセル)
ビット線
信号
出力
“1”書込
H H
L L
“1”書込
“0”書込 “0”書込
読出電流
VR
IR
出力
ビット線信号
11
21
OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの原理とプロセスフロー• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
22
4K bit MRAM 不良解析4K bit MRAM 不良解析
・読み込み不良
(2)誤書き込み ~ 5%(選択セル以外への書き込み)
(2)トンネル抵抗のショート ~ 5%
・リファレンスセルがショート ~ 5%→ ワード線に沿った不良
(3)下部電極間ショート ~ 5%→ビット線に沿った不良
(1)トンネル抵抗のばらつき ~ 0%
・書き込み不良
(1) 書き込み電流不足 ~ 0%
12
23
MRAMの技術課題MRAMの技術課題
高歩留まり- TMR膜ショート除去- アステロイド曲線(反転磁界)の
ばらつき低減大容量化 (セルサイズ縮小)
- 記録電流低減- 熱揺らぎ
24
TMR膜ショートTMR膜ショート
フリー層
固定層 ブリッジング
欠陥
4K bit MRAM・約5%がショート
ショートの原因1. ブリッジング
- 再付着物2. 欠陥
- プロセスダメージ- バリア膜の質
Reactive ion etching (RIE)の検討
絶縁層
13
25
0
1
-1.2 0 1.2
Hx/Hs
Hy/
Hs
アステロイド曲線のばらつきアステロイド曲線のばらつき
ばらつき無 4K bit MRAM・約5% が誤書き込み・反転磁界σ >10%
反転磁界σ< 5% が必要- 形状、膜厚、材料の制御
ばらつき有り
書き込み磁界マージン
オフセット 2%反転磁界 5%オフセット 2%反転磁界 10%
0
1
-1.2 0 1.2
Hx/Hs
Hy/
Hs
26
記録電流低減記録電流低減
Current Source
Termination Circuit
Term
inat
ion C
ircuit
Termination Power
Sele
cto
r
Selector
Current Source
MRAMセル縮小
書き込み電流大
周辺回路大消費電力大
フリー層薄膜化-書き込み電流低減-薄膜化の物理限界?-熱揺らぎの顕在化?
形状異方性型セル
トランジスタサイズは書き込み電流に比例
14
27
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-90 0 90 180 270
φ
Energ
y (K
uV
)
⊿E
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-90 0 90 180 270
φ
Energ
y (K
uV
)
⊿E
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-90 0 90 180 270
φ
Energ
y (K
uV
)
⊿E+
⊿E-
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-90 0 90 180 270
φ
Energ
y (K
uV
)
Selected WL, BL
Hk/2
WL
BL
熱揺らぎ(半選択の影響)熱揺らぎ(半選択の影響)
・1Mbアレイで1000時間に1bitのエラー → KuV/kBT>50・半選択を考慮するとさらに大きなKuV/kBTが必要
半選択セル⊿E~(1/4)KuV
非選択セル⊿E=KuV
半選択セル⊿E~(1/4)KuV
選択セル→ 反転
28
Estimated KuV/kBT
~ 40
Width ~ 0.3 [μm]Hsw ~ 10 [Oe]
微細セルの熱揺らぎ評価微細セルの熱揺らぎ評価
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.01 0.1 1 10 100 1000Write Time (sec.)
Sw
itchin
g P
robab
ility
Experiment
Theory
0.81
0.73
0.66
0.58
0.50
1.0
0.89
Current
15
29
OUTLINEOUTLINE
• MRAMの特徴• MRAMの原理とプロセスフロー• 4K bit MRAM• 微細TMR• MRAMの技術課題• MRAM開発の現状• まとめ
30
MRAM開発現状1MRAM開発現状1
512kbit MRAM
512kbit MRAM・ 0.25µmCMOS
+0.6µmMRAMプロセス・ チップサイズ:5×6.4mm2
・ セルサイズ:5.6µm2
・ クロスポイントセル・ 自己リファレンスセンス・ 電源電圧:2.5V
16
31
MRAM開発現状2MRAM開発現状2
1Mbit MRAM
1Mbit MRAM・ 0.25µmCMOS
+0.6µmMRAMプロセス
・ チップサイズ:5×6.4mm2
・ セルサイズ:6.55µm2
・ 1T/1Rセル・ 電源電圧:2.5V
640
0um
5000um
32
まとめまとめ
MRAMには全ての従来メモリを置き換えるポテンシャル4K bit MRAM を試作。ビット歩留まりは80%歩留まり向上のために-TMR膜ショートの撲滅-アステロイド曲線のばらつき低減
MRAMセルの縮小のために-書き込み電流低減-熱揺らぎを考慮した設計
MRAM開発の現状-1Mbit MRAM(1T/1R)動作確認-512kbit MRAM(CP)動作確認
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