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: [email protected]

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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• 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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• 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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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.

ﾓﾊﾞｲﾙAV

ﾃﾞｼﾞﾀﾙｶﾒﾗMP3ﾌﾟﾚｰﾔ

ﾃﾞｼﾞﾀﾙﾋﾞﾃﾞｵ

ITS

ETC

PDA

ｽﾏｰﾄﾌｫﾝ

GPS

携帯電話

ROM RAM

混載

Stand-alone ﾊﾝﾄﾞﾍﾙﾄﾞPC

不揮発DRAM

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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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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 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Yadd. Yadd.

Xad

d.

Xad

d.

= SCAN = = CKBD =

Pass 3525 86.1% Pass 3313 80.9%

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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


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


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


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

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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