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緩存應(yīng)用程序ST-MRAM流程和性能演示
來(lái)源：宇芯有限公司 日期：2020-01-08 09:46:13
英特爾顯示了2MB ST-MRAM陣列的L4緩存級(jí)應(yīng)用程序性能和可靠性。這要求在工業(yè)操作溫度范圍內(nèi)具有高密度，高帶寬和高耐久性。表I中所顯示STT-MRAM的L4高速緩存應(yīng)用程序所需的規(guī)范。
表I.L4緩存應(yīng)用程序中STT-MRAM的目標(biāo)規(guī)范。
要替換SRAM或eDRAM，需要大于256GB/秒的帶寬和大于10Mb/mm2的陣列密度。如圖1所示的密度要求限制了位單元的間距和訪問(wèn)晶體管的尺寸，因此限制了STT寫入可用的最大的電流，因此將數(shù)據(jù)保留的時(shí)間在110°C的最高工作溫度下限制為“1秒”。
圖1.與eNVM應(yīng)用程序相比，L4緩存所需的位單元間距的要更小。
另一方面要求1e12個(gè)周期的寫入耐久度會(huì)限制最大寫入電流，以確保耐久度保持在ECC可校正的范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)小于100dpm的可接受的ECC可校正的1Gb陣列誤碼率（BER）（1Gb陣列失敗概率為1e-4），所需的固定和隨機(jī)寫入錯(cuò)誤率（WER）錯(cuò)誤如圖2所示。兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，具有三重糾錯(cuò)（TEC）的128b字節(jié)和具有雙重糾錯(cuò)（DEC）的512b字節(jié)。對(duì)于1e12寫事件，隨機(jī)BER需要為1e-8至1e-10。
55nmMTJ需要可靠的堆棧優(yōu)化和反應(yīng)離子蝕刻（RIE）工藝。發(fā)現(xiàn)有缺陷的故障時(shí)會(huì)降低電阻和TMR的短路模式（硬性短路和軟性短路）。融合了時(shí)間=0時(shí)的失敗位。可接受的WER電平和較短的寫入脈沖需要使MTJ過(guò)驅(qū)動(dòng)，受可用驅(qū)動(dòng)電流和耐久性考慮因素的限制，如下列圖3所示。
圖3.寫入電流分布受可用驅(qū)動(dòng)電流和耐用性要求的限制，以及讀取干擾的要求。
最小電流是讀取干擾所需的電流，隨著溫度的降低而提高，因此讀取干擾選定在測(cè)量溫度為95℃下，可以通過(guò)1e7讀取完整的字節(jié)來(lái)獲取。圖14中顯示了NVM應(yīng)用程序和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的L4高速緩存設(shè)備（具有10ns寫脈沖）縮放的MTJ的寫錯(cuò)誤率曲線，如藍(lán)色顯示。
WER的關(guān)鍵條件是在-10°C，但是隨著溫度的升高，MJT變得更容易寫入，而在更高的溫度下VCC可以降低。由于缺陷的熱激活會(huì)導(dǎo)致MgO介電擊穿，因此在105°C下進(jìn)行了耐久性測(cè)試。
關(guān)鍵詞：ST-MRAM
表I.L4緩存應(yīng)用程序中STT-MRAM的目標(biāo)規(guī)范。
要替換SRAM或eDRAM，需要大于256GB/秒的帶寬和大于10Mb/mm2的陣列密度。如圖1所示的密度要求限制了位單元的間距和訪問(wèn)晶體管的尺寸，因此限制了STT寫入可用的最大的電流，因此將數(shù)據(jù)保留的時(shí)間在110°C的最高工作溫度下限制為“1秒”。
圖1.與eNVM應(yīng)用程序相比，L4緩存所需的位單元間距的要更小。
另一方面要求1e12個(gè)周期的寫入耐久度會(huì)限制最大寫入電流，以確保耐久度保持在ECC可校正的范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)小于100dpm的可接受的ECC可校正的1Gb陣列誤碼率（BER）（1Gb陣列失敗概率為1e-4），所需的固定和隨機(jī)寫入錯(cuò)誤率（WER）錯(cuò)誤如圖2所示。兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，具有三重糾錯(cuò)（TEC）的128b字節(jié)和具有雙重糾錯(cuò)（DEC）的512b字節(jié)。對(duì)于1e12寫事件，隨機(jī)BER需要為1e-8至1e-10。
圖2.固定位置失敗（虛線）和隨機(jī)失?。ǚ€(wěn)定）的允許BER的ECC計(jì)算與1Gb陣列失敗概率（ECC不可糾正）相比，假定具有三重糾錯(cuò)（TEC）的128b字節(jié)（藍(lán)色）或具有三次錯(cuò)誤校正的512b字節(jié)雙重錯(cuò)誤校正（DEC）（橙色）。
55nmMTJ需要可靠的堆棧優(yōu)化和反應(yīng)離子蝕刻（RIE）工藝。發(fā)現(xiàn)有缺陷的故障時(shí)會(huì)降低電阻和TMR的短路模式（硬性短路和軟性短路）。融合了時(shí)間=0時(shí)的失敗位。可接受的WER電平和較短的寫入脈沖需要使MTJ過(guò)驅(qū)動(dòng)，受可用驅(qū)動(dòng)電流和耐久性考慮因素的限制，如下列圖3所示。
圖3.寫入電流分布受可用驅(qū)動(dòng)電流和耐用性要求的限制，以及讀取干擾的要求。
最小電流是讀取干擾所需的電流，隨著溫度的降低而提高，因此讀取干擾選定在測(cè)量溫度為95℃下，可以通過(guò)1e7讀取完整的字節(jié)來(lái)獲取。圖14中顯示了NVM應(yīng)用程序和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的L4高速緩存設(shè)備（具有10ns寫脈沖）縮放的MTJ的寫錯(cuò)誤率曲線，如藍(lán)色顯示。
圖4.不同設(shè)備的寫入錯(cuò)誤率（WER），以藍(lán)色顯示優(yōu)化的L4緩存MTJ。
WER的關(guān)鍵條件是在-10°C，但是隨著溫度的升高，MJT變得更容易寫入，而在更高的溫度下VCC可以降低。由于缺陷的熱激活會(huì)導(dǎo)致MgO介電擊穿，因此在105°C下進(jìn)行了耐久性測(cè)試。
關(guān)鍵詞：ST-MRAM
上一篇文章：預(yù)期Nand-flash內(nèi)存需求市場(chǎng)及價(jià)格漲
宇芯有限公司自成立以來(lái)，我們專注于代理國(guó)內(nèi)外各大知名品牌的半導(dǎo)體元器件，代理品牌有NETSOL、JSC、everspin、來(lái)?xiàng)頛yontek、ISSI、CYPRESS等多個(gè)品牌總代理資質(zhì)，主要產(chǎn)品線為sram、mram、psram等其他存儲(chǔ)器芯片，致力于為客戶提供具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，是一家專業(yè)提供存儲(chǔ)方案解決商。
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