Samsung / IBM / TSMC / GF가 MRAM 개발의 최신 성과를 피로

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임베디드 MRAM 개발 로드맵. 세로축은 동작 주파수, 가로축은 연호. 실리콘 파운드리 GLOBALFOUNDRIES Singapore 2020 년 6 월에 국제 학회 VLSI 심포지엄에서 발표 슬라이드 (강연 번호 TM3.3)

　SoC (System on a Chip)이나 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 (MCU는) 등의 CMOS 로직이 내장 메모리, MRAM (자기 저항 메모리)로 대체하려고하는 움직임이 활발하다. 목표는 두 가지. 하나는 임베디드 플래시 메모리 (eFlash)의 대체, 다른 하나는 온칩 SRAM의 대안이다. 모두 반도체 가공 기술의 미세화에 메모리 기술이 추종 할 수 없게되어 왔던 것이 배경에있다.

　eFlash은 메모리 셀을 1 개 ~ 1.5 개의 트랜지스터 (셀 트랜지스터)로 구성한다. 셀 트랜지스터 셀 선택과 데이터 저장을 겸하고있어 그 형상은 논리의 평면형 트랜지스터에 가깝지만, 구조는 매우 다르다. 그리고 고전압을 취급하므로, 미세화에 적합하지 않다. 기술 노드에서는 40nm 세대 ~ 28nm 세대가 한계된다. 또한 최근에는 로직 트랜지스터 모양이 3 차원으로 변화하고있다. eFlash 셀 트랜지스터가이 변화에 적응하는 것은 어렵다. FinFET 논리와 호환 임베디드 플래시 (eFlash)는 아직 상용화되지 않았다.

　온칩 SRAM은 6 개 또는 8 개의 트랜지스터로 메모리 셀을 구성한다. SRAM 트랜지스터 로직과 같은 트랜지스터이며, 미세화도 생산 자체는 가능하다. 그러나 SRAM은 메모리 셀의 실리콘 면적이 다른 메모리 기술에 비해 크고 대용량화에 적합하지 않다.

　예를 들어 28nm 세대 로직 제조 공정에서 64Mbit의 온칩 SRAM을 형성하면 실리콘 면적은 9 평방 mm를 초과 (Samsung Electronics가 국제 학회 IEDM 2020에서 발표 한 논문에 의한 (논문 번호 11.2)). 실리콘 다이를 만일 7mm 각하면 SRAM 매크로가 차지하는 비율은 약 20 %에 달한다. 이것은 무시하기 어려운 크기이다. 또한 SRAM은 미세화에 의해 대기시 소비 전류가 증가한다는 단점을 안고있다. 이 것도 SRAM의 대용량화를 어렵게한다.

　이에 대해 포함 MRAM은 기억 소자 (자기 터널 접합 (MTJ))를 다층 배선 공정 (BEOL)에서 만들고 담는. 로직 트랜지스터 기술에 의존하지 않는다. FinFET, FD SOI, 나노 시트 FET 등을 원활하게 지원하기 때문에 미래의 미세화에 따른 개발 로드맵을 그릴. 또한 MRAM은 비 휘발성 메모리이므로, 대기시의 소비 전류가 매우 낮다.

　메모리 셀은 1 개의 트랜지스터 (셀 선택 트랜지스터)와 1 개의 MTJ로 구성한다. 메모리 셀의 실리콘 면적은 eFlash에 비하면 크지 만 SRAM에 비해 작다. 그래서 실리콘 파운드리를 중심으로 임베디드 MRAM의 연구 개발이 활발 해지고있다. 2020 년 12 월에 개최 된 디바이스 프로세스 기술의 국제 학회 인 'IEDM 2020'에서 그 일단이 공개됐다.

온칩 SRAM의 대안을 상정 한 개발 성과가 속출

　국제 학회 'IEDM 2020'에서 임베디드 MRAM 기술의 개발 성과를 발표 한 것은, Samsung Electronics, IBM Research, GLOBALFOUNDRIES Singapore, TSMC, GLOBALFOUNDRIES 등이다. 주요 발표 5 건의 내용을 개관하면 2 년 전 'IEDM 2018'에서 발표 된 주요 임베디드 MRAM 기술에 비해 뚜렷한 진전을 간파 할 수있다.

　주요 진전은 3 개. 하나는 온칩 SRAM의 대체를 상정 한 MRAM 기술의 연구 성과가 나온 것. 5 건 중 3 건이 SRAM의 대체를 노리는 기술 발표되었다. 2 년 전 IEDM 2018에서 주요 발표 4 건 모두가 eFlash 대체를 겨냥한 개발 성과였다.

　또 하나는 eFlash 대체를 상정 한 임베디드 MRAM의 용도가 확대되고있는 것. 구체적으로는 사용 온도 범위를 고온 측으로 확대하여 용도를 펼치고있다. 고온에서 동작 특히 요구되는 자동차 용 집적 회로의 신뢰성 수준 (3 급 ~ 1 학년)을 달성하고있다.

　세 번째는 미세화가 진행됨. 2018 년 IEDM에서 22nm 세대 ~ 40nm 세대의 기술 노드에 의한 연구 성과가 발표되고 있었다. 이번에는 14nm 세대와 16nm 세대의 기술 노드를 채용 한 임베디드 MRAM 기술이 등장했다.

국제 학회 'IEDM 2020'에서 발표 된 주요 임베디드 MRAM 기술. 각사의 강연 내용을 요약 한 것

　다음은 소개 온칩 SRAM의 대체를 겨냥한 임베디드 MRAM의 연구 성과를보고한다. 연구 성과를 발표 한 것은 Samsung Electronics (이후 Samsung로 표기), IBM Research (이후 IBM과 표기), GLOBALFOUNDRIES Singapore이다.

Samsung : SRAM 프레임 버퍼를 대체

　Samsung는 온칩 SRAM 프레임 버퍼를 대체하는 임베디드 MRAM 기술을 개발 한 (강연 번호 11.2). 28nm 세대의 FD SOI CMOS 로직과 동일한 공정으로 제조한다. 8Mbit의 STT-MRAM (스핀 주입 자기 저항 메모리) 매크로를 시작한 보였다.

개발 한 8Mbit MRAM (pSTT-MRAM) 매크로의 실리콘 다이 사진 (왼쪽)과 주요 성능 (제품 사양은 아니다). Samsung이 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.2)에서

　SRAM 프레임 버퍼에 대한 우위는 저장 밀도의 높이에있다. 같은 제조 공정에 의한 SRAM 메모리 밀도가 0.15 평방 mm / Mbit 인 반면 개발 한 임베디드 MRAM은 0.08 평방 mm / Mbit와 실리콘 면적을 절반 가까이 줄일 수있다.

Samsung의 주요 발표 내용. IEDM 2020의 강연과 논문에서 정리 한 (강연 / 논문 번호 11.2)

　다시 수명은 10의 10 제곱 사이클 (온도는 -40 ℃)와 상당히 긴 제품으로 목표 사양을 만족한다. 한편, 데이터 보존 시간은 몇 분 (온도는 + 85 ℃)과 목표 사양의 1 시간 (60 분)에 비해 아직 짧다. 개선의 여지가 남아있다.

　동작시 소비 전력은 독립형 (단체) DRAM에 비해 낮지 만 온칩 SRAM에 비해 여전히 높다. 강연에서는 MTJ의 스위칭 효율을 높이는 것으로, 소비 전력을 SRAM에 가까이된다고했다.

프레임 버퍼 메모리 용량과 대기시 소비 전력 비교. 임베디드 MRAM (eMRAM)는 온칩 SRAM보다 대용량의 프레임 버퍼를 제공한다. Samsung이 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.2)에서

IBM : 라스트 레벨 캐시 MRAM을 14nm 로직에서 시작

　IBM은 라스트 레벨 캐시 (LLC)의 SRAM을 대체하는 임베디드 MRAM 기술의 개발 상황을보고했다 (강연 번호 11.5). 대규모 마이크로 프로세서의 L3 캐시 또는 4 차 캐시는 대용량 SRAM 또는 임베디드 DRAM (eDRAM)가 사용된다. 이러한 메모리를 MRAM으로 대체하여 실리콘 면적을 줄이고 대기시 소비 전력의 감소 등이 예상.

　제조 기술은 고성능 프로세서 "Power9"에서 도입 된 14nm 세대의 SOI FinFET 로직 을 채용했다. 메모리 셀은 1 개의 트랜지스터와 1 개의 MTJ로 구성한다. MTJ는 제 1 금속 배선 (M1)과 제 2 금속 배선 (M2) 사이에 만들어 넣은. M1과 M2의 최소 피치는 64nm와 상당히 좁다. MTJ의 직경은 35nm ~ 60nm. 저장 용량이 2Mbit (512Kbit × 4 뱅크)의 STT-MRAM 매크로를 시작한 보였다.

14nm 세대의 SOI FinFET 로직 공정으로 제작 한 MRAM 매크로의 실리콘 다이 사진. 매크로 저장 용량은 2Mbit (512Kbit × 4 뱅크). IBM은 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.5)에서

시작한 MRAM 매크로 단면 관찰 상. MTJ의 직경은 41mm. M1 (제 1 금속 배선)의 최소 피치는 64nm하지만 MTJ를 만들어 넣은 부분은 M1의 폭을 넓히고있다. IBM은 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.5)에서

　메모리 셀 면적은 0.0273 평방 μm이다. Power9 프로세서가 도입 한 eDRAM 셀의 0.0174 평방 μm에 비해 크지 만, SRAM 셀 (6 트랜지스터)의 0.102 평방 μm에 비해 약 4 분의 1 (26 %)와 크게 작다.

　기록 펄스 폭은 4ns로 매우 짧다. 라스트 레벨 캐시에 충분히 보인다. 데이터 보유 기간은 1 분 (온도는 85 ℃, 비트 불량률 1ppm 이하) 아직 짧다. 다시 수명은 10의 10 제곱 사이클이다 (온도 조건은 불명). 임베디드 MRAM은 길지만 라스트 레벨 캐시 (LLC) 용으로는 아직 부족하다. 또한 IBM의 강연 슬라이드에서는 LLC는 10의 18 제곱주기 다시 일생 (거의 무한한 다시 일생)이 바람직하다고했다.

IBM의 주요 발표 내용. IEDM 2020의 강연과 논문에서 정리 한 (강연 / 논문 번호 11.5)

GF Singapore : 10의 12 승 사이클 수명과 1 개월의 데이터 유지를 양립

　GLOBALFOUNDRIES Singapore (GFS)은 온칩 SRAM의 대체를 겨냥한 임베디드 MRAM 기술을 개발 중이다 (강연 번호 11.6). 40Mbit의 STT-MRAM 매크로를 시작하고 특성을 평가했다. 제조 기술은 공개하지 않았다. 메모리 셀은 1 개의 트랜지스터와 1 개의 MTJ로 구성한다. MTJ는 다층 배선 공정에 묻어있다.

　동작 온도 범위는 -40 ℃ ~ + 125 ℃의 넓은. 기록 시간은 10ns로 매우 짧다. 다시 수명은 10의 12 승 사이클 (온도 조건은 불명) 데이터 보존 기간은 1 개월 (온도 조건 + 125 ℃)로 모두 길다. SoC와 마이크로, 이미지 센서 등으로 상당히 넓은 용도를 전망.

온칩 SRAM의 대체를 겨냥한 임베디드 MRAM 기술의 개요. 왼쪽은 2020 년 6 월에 국제 학회 VLSI 심포지엄에서 발표 한 내용. 오른쪽은 이번 내용. GLOBALFOUNDRIES Singapore가 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.6)에서

GLOBALFOUNDRIES Singapore의 주요 발표 내용. IEDM 2020의 강연과 논문에서 정리 한 (강연 / 논문 번호 11.6)

TSMC : 16nm의 FinFET 로직과 호환 플래시 대체 MRAM

　여기에서는 eFlash의 대체를 겨냥한 임베디드 MRAM 기술의 발표 내용을 소개하겠다. 연구 성과를 발표 한 것은, TSMC와 GLOBALFOUNDRIES이다.

　TSMC는 16nm 세대의 대량 FinFET CMOS 로직과 같은 제조 공정에 포함 MRAM을 시작한 (강연 번호 11.4). 시작한 것은 기억 용량이 8Mbit (패리티 비트를 포함하면 10Mbit)의 STT-MRAM 매크로이다.

16nm 세대의 대량 FinFET 로직 공정으로 제작 한 8Mbit (물리적으로는 10Mbit) MRAM 매크로의 실리콘 다이 사진. TSMC가 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.4)에서

시작한 MRAM 매크로의 주요 성능 (제품 사양은 아니다). TSMC가 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.4)에서

　메모리 셀은 1 개의 FinFET와 1 개의 MTJ로 구성한다. MTJ는 다층 배선의 제 4 층 금속 배선 (M4)와 제 5 층 금속 배선 (M5) 사이에 만들어 넣은. 메모리 셀 면적은 0.033 평방 μm와 작다.

　시작한 MRAM 매크로의 동작 온도 범위는 -40 ℃ ~ + 125 ℃로 매우 넓다. 산업용 및 자동차 용 로직 컨트롤러 (MCU)에 묻을. 읽기 액세스 시간은 9ns (전원 전압 0.8V ± 10 % 온도 범위 -40 ℃ ~ + 125 ℃)과 짧다. 쓰기 펄스 폭 50ns (온도는 -40 ℃).

TSMC의 주요 발표 내용. IEDM 2020의 강연과 논문에서 정리 한 (강연 / 논문 번호 11.4)

　다시 일생은 100 만 사이클 (온도 -40 ℃ 비트 불량률 0.67ppm), 데이터 저장 기간은 10 년 (온도 + 234 ℃, 비트 불량률 1ppm) 및 마이크로 컴퓨터 용 플래시 메모리의 대체에 충분한 장기 신뢰성 를 갖춘다. 리플 로우 솔더링 공정에 의한 비트 불량률은 10ppm 미만으로 2bit 오류의 정정 (ECC) 회로에 의해 수정할 수있다.

　시험 생산에 따르면 150 ℃의 온도 조건에서 76 %의 8Mbit MRAM 매크로는 비트 불량률이 제로였다. 자동차 용 집적 회로의 신뢰성 등급 1 (Auto-G1)에 대응하는 마이크로 컴퓨터에 채용 가능하다고한다.

GLOBALFOUNDRIES : 제품화 한 22nm SOI 로직 호환 MRAM의 기술 개요

　GLOBALFOUNDRIES (이후는 GF로 표기)는 22nm 세대 FD SOI 로직 공정과 호환 고 신뢰성 임베디드 MRAM 기술을 개발 한 (강연 번호 11.3). 산업용 마이크로 컨트롤러 및 자동차 용 마이크로 컴퓨터 등의 내장 플래시 메모리 (eFlash)을 제품 수준에서 대체 완성도를 얻고있다.

　GF는 2020 년 (올해) 2 월 27 일, 22nm 세대의 FD SOI 로직 제조 기술에서 포함 된 MRAM (eMRAM)의 생산을 시작하여 2020 년 내에 제품의 테이프 아웃을 여러 고객과 완료 시키면 공식 에 발표했다 . 이 eMRAM는 -40 ℃ ~ + 125 ℃의 온도 범위에서 10 만 사이클의 개서 수명과 10 년의 데이터 보존 기간을 가진다. 자동차 용 집적 회로 (IC)의 신뢰성 그레이드 2 (Auto-G2)으로하고 있으며, 2021 년 (내년)는 1 학년 (Auto-G1)을 지원할 예정이다. 이 eMRAM 기술의 내용을 GF는 IEDM 2020에서 발표 한 것으로 보인다.

임베디드 플래시 (eFlash) 대체 용 임베디드 MRAM (eMRAM)의 개요. 왼쪽은 제품 사양. 오른쪽은 개발 목표 사양. GLOBALFOUNDRIES가 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.3)에서

　개발에 있어서는, 기억 용량이 40Mbit의 STT-MRAM 매크로를 시작하고 특성을 평가했다. 5 회 리플 로우 솔더링 공정에 의한 열처리를 거쳐도 10ppm 미만의 낮은 비트 불량률 (BER)을 얻고있다. 또한 패키지에 봉지 한 40Mbit의 MRAM 매크로는 다시 수명과 고온 동작 수명, 저온 동작 수명 등의 JEDEC 표준 신뢰성 테스트를 통과했다.

　매크로 다시 수명은 10 만 사이클 (온도 -40 ℃ 비트 불량률 0.23ppm 이하)과 코드 저장 용 메모리로 충분히 길다. 데이터 보유 기간은 20 년 (온도 + 150 ℃, 비트 불량률 0.1ppm 미만)과 산업용 및 자동차 용 등의 장기 사용에 견딜 수있다.

개발 한 40Mbit의 임베디드 MRAM 매크로의 실리콘 다이 사진 (왼쪽)과 자기 터널 접합 (MTJ)의 단면 관찰 상 (중앙), 신뢰성 테스트를 위해 실리콘 다이를 밀봉 패키지 사진 (오른쪽). GLOBALFOUNDRIES가 IEDM 2020에서 발표 한 논문 (논문 번호 11.3)에서

GLOBALFOUNDRIES의 주요 발표 내용. IEDM 2020의 강연과 논문에서 정리 한 (강연 / 논문 번호 11.3)

　평소부터 최첨단 로직의 미세화에 추종 할 수있는 임베디드 비 휘발성 메모리 기술은 MRAM 기술이라고 알려져 있었다. 14nm 세대와 16nm 세대의 FinFET 논리에 묻을 MRAM 기술이 개발 된 것은 이전부터의 평가를 뒷받침했다고 할 수있다. 미래의 로드맵을 그릴 것은 포함 MRAM의 채용을 밀어 준다. 2021 년 MRAM 마이컴의 '원년'이 될 것을 기대한다.

 

 

 

출처: pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/1297554.html