2xnm技術で試作した40Mビット埋め込みMRAM（後編）：福田昭のストレージ通信（110） GFが語る埋め込みメモリと埋め込みMRAM（10）（1/2 ページ）

2xnm世代のCMOSロジック製造技術によって記憶容量が40Mビット（5Mバイト）の埋め込みMRAMマクロを試作した結果を報告する後編である。ここでは、長期信頼性（書き換えサイクル数とデータ保持期間）とはんだ付け耐熱性に関する試験結果を紹介する。

[福田昭，EE Times Japan]

125℃の高温下で100万回の書き換えサイクルに耐える

　今回は前後編の後編である。前編を覚えておられない方や未読の方は、一度、前編を読まれてから、本編をお読みすることを強くおすすめする。

　後編では、2xnm世代のCMOSロジック製造技術によって40Mビット（5Mバイト）の埋め込みMRAMマクロを試作した結果から、長期信頼性（書き換えサイクル数とデータ保持期間）とはんだ付け耐熱性に関する試験結果をご紹介する。

2xnm世代のCMOSロジック製造技術で試作した埋め込みマクロ。左上はシリコンダイの詳しいレイアウト。左下はシリコンダイ写真。右の表は設計仕様。出典：GLOBALFOUNDRIES（クリックで拡大）

　前編で述べたように、試作した埋め込みMRAMのMTJ（磁気トンネル接合）には、SRAM代替用MTJ「スタックA（Stack-A）」と、フラッシュメモリ代替用MTJ「スタックB（Stack-B）」がある。

　書き換えサイクル数は、SRAM代替用MTJ「スタックA（Stack-A）」のセルアレイ（1Kビット）で測定した。温度条件は25℃、105℃、125℃と変化させている。25℃と105℃の温度条件では、100万回の書き換えサイクルを経た後に十分な読み出しマージンを確保できた。ただし温度が上昇すると、読み出しマージン（トンネル磁気抵抗比）そのものは低下している。また125℃の温度条件では、100万回の書き換えサイクルを経ても不良は増加しなかった。

温度条件を変化させたときの書き換えサイクル特性（スタックA）。左は書き換えサイクル試験を完了した後に、読み出し動作におけるMTJの抵抗値のばらつきを異なる温度条件で調べた結果。中央は書き換えサイクル数と読み出しマージンの関係。書き換えサイクル数が増加しても、読み出しマージンは初期値とほとんど変わっておらず、100万回の書き換えサイクルを経ても劣化はみられない。出典：GLOBALFOUNDRIES

125℃の高温条件で、10年間のデータ保存期間を確保

　次はデータ保持期間である。こちらはフラッシュメモリ代替用MTJ「スタックB（Stack-B）」のセルアレイで測定した。設計目標は、1Mビットのセルアレイに対して温度が125℃の条件で、10年間のデータ保存期間をへたときに「1ppm以下の不良率」である。

　240℃〜260℃の高温条件下による加速試験の結果、磁気トンネル接合（MTJ）が平行（P）から反平行（AP）に移行した場合と、反平行（AP）から平行（P）に移行した場合の両方とも、設計仕様を満足することができた。

　ただしデータが反平行（AP）状態で保存された場合と、平行（P）状態で保存された場合では、データ保持特性に違いが生じた。この非対称性を緩和することが、今度の課題として残ることとなった。

1Mビットのメモリセルアレイにおけるデータ保持特性（スタックB）。グラフの横軸は温度の逆数（左が高温側）、縦軸は不良率が1ppmに達するまでの時間（対数目盛り）である。プロットは温度を240℃、250℃、260℃の高温条件で加速試験を実施した結果。加速試験の結果から、設計目標である125℃で10年間のデータ保持期間を確保できると推定した。出典：GLOBALFOUNDRIES（クリックで拡大）