Principe de fonctionnement et fiabilité des technologies mémoires
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Atelier "M émoires du futur" du CCT "Mémoires 16 16 janvier janvier 2008, 2008, IAS, IAS, Toulouse Toulouse Principe de fonctionnement et fiabilité des technologies mémoires émergentes Ch. Muller Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence IM2NP – UMR CNRS 6242 Equipe "Mémoires" Polytech' Marseille, Université de Provence Technopôle de Château-Gombert, 13451 Marseille Cedex 20 e-mail : [email protected] Vers une m émoire id éale… mémoire idéale… Endurance (1015) Faible tension (1 V) Densité (Gbyte) Vitesse de lecture/écriture (ns) "Scalabilité" et fiabilité Faible consommation Classification M émoires Mémoires Volatiles Non volatiles DRAM (Micron) Stockage Stockage de de charge charge Flash (Intel) SRAM SRAM DRAM DRAM EEPROM, EEPROM, Flash Flash SONOS, –Si SONOS, Nano Nano–Si FeRAM FeRAM R ésistances R / R OFF Résistances RON ON / ROFF MRAM (Freescale) MRAM MRAM PCM PCM ReRAM ReRAM Panorama général Vue d'ensemble Taille de la cellule (F2) MRAM > 1014 40 30 FeRAM 1012 20 PCM 1012 Flash NOR 10 ReRAM ? Flash NAND 0 180 130 Technologie (nm) 90 65 45 32 Van Houdt and Wouters, Semiconductor International, 12/1/2006 www.semiconductor.net/article/CA6394960.html FeRAM Ferroelectric RAM Architecture • Architecture similaire à celle d'une DRAM Condensateur ferroélectrique = élément de stockage Deux états de polarisation : "0" = + PR et "1" = – PR BL Métal 3 WL Métal 2 Métal 1 "1" "0" PL 1 µm Transistors Condensateur ferroélectrique Comparateur Principe de lecture Q Lecture du "1" Faible variation de charge Lecture du "0" Grande variation de charge V V Lecture "1" Ecriture Lecture "0" t Courant fort Courant faible I • t Problème majeur : Destructive Read Out (DRO) Lecture "1" Ecriture "0" R éduction de taille Réduction 1 × 50 µm × 50 µm P/S = 0,08 1656 × 1 µm × 1,5 µm P/S = 3,33 Distribution de champ interne due aux défauts induits par la gravure Muller et al., J. Appl. Phys., vol. 99, no. 5, 054504(1–5), 2006 Modes de d éfaillance défaillance ∆2.PR ∆VCShift • Sollicitations électriques • Effet des irradiations (rayons X et γ) sur la fiabilité des condensateurs… Hors tension En fonctionnement Cyclage bipolaire ( fatigue) Cyclage unipolaire ( imprint) Impact sur la fiabilité du composant Analyses in situ R étention Rétention Samsung 32 Mbits CMOS 0,25 µm (PZT) Distribution de charge de cellules FeRAM (taille : 0,92 × 0,44 µm2 ) Process optimisé "0" Baking @ 150°C "Sensing margin" suffisante pour garantir une rétention de 10 ans @ 85°C "1" Sensing margin Song et al., Int. Conf. on Microelectronics (MIEL 2004), p. 393, 2004 Evolution de la cellule m émoire mémoire Planaire (2D) Stack Intégration d'une cellule mémoire FeRAM 3D Géométrie tridimensionnelle permettant le "scaling" de la technologie FeRAM Plusieurs alternatives … alternatives… "Vertical" capacitors (PZT) Infineon/Toshiba 1,2 PZT IrO2 PZT IrO2 PZT "Pin-shaped" capacitors (SBT) IMEC/STMicroelectronics/L2MP 4,5 Pt SBT Pt IrO2 Ir "Trenched" capacitors (PZT) Samsung/TIT 3 0,2 µm 1 Patent WO 2005/031816 (Infineon) Nagel et al., VLSI Tech. Dig., p. 146, 2004 3 Funakubo et al., Integr. Ferroelectrics, vol. 81, p. 219, 2006 4 Goux et al., IEEE Trans. Elec. Dev., vol. 52, no. 4, p. 447, 2005 5 Menou et al., Appl. Phys. Lett., vol. 87, no. 7, p. 073502, 2005 2 Influence du process T = 405°C T = 440°C T = 405°C T = 440°C TEM L2MP 0.2 µm SEM IMEC T = 440°C T = 405°C • Variations chimiques locales (sidewalls SW) ↓ Polarisation ↑ Courants de fuite Court-circuits Menou et al., Appl. Phys. Lett., vol. 87, no. 7, p. 073502, 2005 Goux et al., J. Appl. Phys., vol. 98, no. 5, p. 054507(1–7), 2005 Fiabilit é sous irradiation X Fiabilité Analyse de la fiabilit é de fiabilité vvéhicules éhicules de test Environnements radiatifs Sollicitations éélectriques lectriques Irradiation combin ée combinée aux sollicitations éélectriques lectriques Irradiation X Condensateurs 3D Réseaux de condensateurs en boîtier DIL Connecteurs SMB Mesure Cyclage Bias R éseau de type " m émoire" Réseau mémoire" 1 µm • Modèle microstructural 1 Partie plane SW SW 1 Conditions expérimentales Rayons X : Kα Cu (E = 8,05 keV) Débit de dose ≈ 100 rad/s Réseaux de condensateurs Géométrie 3D 100 × 100 (surface : 0,81 µm2) Menou et al., Appl. Phys. Lett., vol. 87, no. 7, p. 073502(1–3), 2005 Application d'un bias • • • • Dégradation naturelle et spontanée sous irradiation ("no bias") Champ externe = "driving force" du déplacement de charges Piégeage de charges libres aux interfaces ↑ Déplacement en tension par application d'un bias ↓ Dégradation de polarisation par application d'un bias "Wake-up" @ 3 V Dépiégeage des parois de domaines Charges initialement piégées dans les SW Recombination des charges photoinduites avec les charges piégées initiales Cyclage sous irradiation X • • • Cyclage bipolaire 500 kHz et ± 5 V Avec ou sans irradiation X Cyclage hors irradiation X Phénomène de "wake-up" activé par le champ électrique Pas de dégradation jusqu'à 1011 cycles Cyclage sous irradiation X Forte décroissance de PR + déplacement en tension du cycle Accélération du mécanisme de fatigue sous rayons X Courtade et al., Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 11, p. 113501(1–3), 2006 Muller et al., IEEE Proceedings of NVMTS, p. 94–99, 2006 MRAM Magnetoresistive RAM Architecture Métal 5 • • • Electronique de spin e– : charge + spin Intégration de couches ferromagnétiques Aimantation rémanente (à champ magnétique nul) Jonction = couches magnétiques + oxyde tunnel Cu JMT Cu Métal 4 Via 3 Métal 3 Al Via 2 Métal 2 Al Via 1 Métal 1 Al Contact Cellule 4 Mbit MRAM Tehrani et al. (Freescale), IEDM 2006 Jonction magn étique tunnel magnétique Jonction Magnétique Tunnel (JMT) Ferromagnétique doux (stockage) Oxyde tunnel (AlOx, MgO…) Ferromagnétique dur (référence) Couches d'ancrage Métal 5 JMT Métal 4 25 TMR (%) 20 15 10 RLow RHigh "Tunnel Magneto-resistance" 5 0 –300 TMR = –200 –100 0 100 Champ magnétique (Oe) 200 R ↑↓ − R ↑↑ R ↑↑ 300 Tehrani et al. (Freescale), IEDM 2006 Les innovations ? Toggle MRAM 1 Spin Torque Transfer STT-MRAM 2 • • • 1 Mbit STT-RAM test chip Standalone @ node 45 nm Embedded @ node 65 nm Cellule TA-MRAM 3 1 2 Nahas et al., IEEE J. Solid State Circuits, vol. 40, no. 1, 2005 Association Renesas Technology et Grandis 3 http://www.crocus–technology.com "ON" Toggle MRAM Stoner-Wohlfarth switching • Ibit Réduction du "bit fail" Avantages Grande immunité aux perturbations en écriture (réduction du "bit fail") ↑ TMR : AlOx (50%) → MgO (200%) Bonnes performances en température ∆R/σ = 25 @ 25°C ∆R/σ = 20 @ 150°C "0" Idigit Savtchenko switching ("toggle") ∆R Nombre de bits Ibit Idigit "1" 25°C 150°C σ 150°C Résistance du bit 25°C TA -MRAM vs. MRAM TA-MRAM "0" "1" OFF • • • ON OFF Injection d'un courant dans la jonction pendant l'écriture Amélioration de l'immunité au "bit fail" Renversement magnétique par une seule ligne de métal Plus faible consommation Problèmes de fiabilité inhérents au mode d'écriture Claquage diélectrique de l'oxyde tunnel par injection du courant Tests de claquage • • AlOx Bit Line ge ka oc St e nc re fé Ré Word Line Injection d'un courant durant l'écriture Echauffement local Performances en endurance de la JMT ? Tests de claquage Statique (CVS) et dynamique (DVS) Test de claquage statique d'une barrière AlOx Passage AlOxx → MgO Films continus Jonction gravée Oxyde tunnel MgO 100 nm 20 nm • • 2 nm FFT • ↑ TMR AlOx (50%) → MgO (200%) Couche de MgO cristallisée Texture dans la direction [001] Epaisseur : 1,43 ± 0,16 (1σ) nm Int égration de barri ères thermiques Intégration barrières re u e i r upé s e u rmiq e h t ère iè i r r a B re u e i r é e inf u q i rm e h t e ièr Barriè BTS BTI MgO • • • Mode d'écriture TA requiert le contrôle… Température effective ambiante Cinétique de chauffage Intégration de barrières thermiques Faible conductivité thermique Forte conductivité électrique Confinement de la chaleur Quid de la fiabilité ? 20 nm TIMI, "Thermally Insulating MRAM Interconnects", no. EUR–06–204 (EURIPIDES) PCM Phase Change RAM Phase Change RAM • Electrode Alliage GST Heater I Electrode Alliage GST : Ge2Sb2Te5 Transition réversible entre un état cristallisé et un état amorphe Deux états de résistance RLow ↔ RHigh Volume programmable RLow Samsung : 512 Mbit PCM Technologie CMOS 90 nm RHigh Cho et al., IEEE J. Solid State Circuits, vol. 40, p. 293, 2005 Ma îtrise de profils de temp érature Maîtrise température Set → Reset Simulation de la distribution de température pendant la programmation (effet Joule) Reset → Set • Problèmes Evolution vers un état métastable Contrôle des rampes en T° Confinement de la chaleur Bez et al. (STMicroelectronics), Workshop NEMESYS, 2006 Architectures Transistor BJT µTrench PCM (STMicroelectronics) Transistor MOS Test chip 64 Mbit (Samsung) Vers des "PCM nanowires" … nanowires"… 2D PCM 1D PCM Film → Nanofil • • Avantages ↓ Température de fusion en 1D ↓ Volume programmable "Scalabilité" ↓ Jusqu'à W = 3 nm (S = 60 nm2) ↓ Courant/tension/puissance ↑ Immunité aux perturbations W 200 nm × 20 nm Chen et al. (IBM–Qimonda–Macronix), IEDM 2006 Promesses des mémoires ReRAM… Resistive RAM Enjeu des m émoires ReRAM mémoires = cellule mémoire Configuration planaire Configuration 3D M émoires à commutation de rrésistance ésistance Mémoires Courant (mA) 10 5 set 0 reset -5 -10 -2 -1 0 1 Tension (V) "Emerging Materials for Mass-storage Architectures", FP6 IST no. 33751 Partenaires : IMEC (B, leader), STMicroelectronics (I), MDM (I), RWTH–Aachen (D), IUNET (I), L2MP (F) Bipolaire vs. unipolaire Commutation unipolaire Commutation unipolaire I I V • V Matériaux à commutation de résistance Oxydes bi-stables : NiO, CuOx, TiOx… OxRRAM Composés organométalliques : CuTCNQ Composés d'intercalation : chalcogénures PMC, CBRAM Waser and Aono, Nature Materials, vol. 6, p. 833, 2007 M émoires OxRRAM Mémoires "Plug contact bottom electrode" 50 nm • • • Structure Métal/Oxyde/Métal Oxyde bi-stable obtenu par dépôt Architectures possibles Electrode inférieure plane (a) Contact inférieur à l'aide d'un plug qui délimite la zone active (b) Baek et al., IEEE Proceedings of IEDM conference, 2005 Multi -layer cross point structure Multi-layer Optical micrograph SEM • Samsung : Multi-layer cross-point structure Solution pour repousser la densité au-delà des limites des mémoires Flash NAND Baek et al., IEEE Proceedings of IEDM conference, 2005 M émoires à base de CuTCNQ Mémoires • • Complexe organométallique à transfert de charge CuTCNQ = Cuivre tétracyanoquinodiméthane CuTCNQ "nanowires" 500 nm SiO2 CuTCNQ SiC Cu SiO2 500 nm 50 nm Réaction entre Cu et TCNQ gazeux Si Turquat et al., IEEE Proceedings of NVMTS, p. 44–47, 2007 Müller et al., Appl. Phys. Lett., vol. 90, p. 063503, 2007 Caract éristiques I(V) Caractéristiques Structures crossbar Au\CuTCNQ\Al VAppl • • Commutation de résistance Switching "bipolaire" entre… Etat forte résistance (OFF) Etat faible résistance (ON) Tension de Set/Reset autour de ± 5V CuTCNQ RLoad I VDevice (= VAppl – RLoad×I) Turquat et al., IEEE Proceedings of NVMTS, p. 44–47, 2007 Commutation "locale" • Conductive-AFM Pointe en métal noble Mode contact Rampes de tension W:0→–8V R:0→–4V E:0→+8V Pointe PtIr • CuTCNQ Au (BE) Source de tension Commutation locale des nanofils de CuTCNQ Effet intrinsèque (pas de couche d'interface) Conductive Bridge RAM • • Atomes d'argent provenant d'une électrode de Ag2S Croissance/dissolution de dendrites d'argent Formation d'un pont dans un vide de 1 nm entre les deux électrodes Terabe et al., Nature, vol. 433, p. 47–50, 2005 Conclusion Conclusion Param ètres de Paramètres de process process Technologies émoires éémergentes mergentes Technologies m mémoires FeRAM FeRAM MRAM MRAM ReRAM ReRAM M écanismes de Mécanismes de ddéfaillance éfaillance (g éométrie 3D) (géométrie 3D) Int égration et Intégration et fiabilit é de fiabilité de jonctions jonctions tunnel étiques tunnel magn magnétiques Int égration d'oxydes Intégration d'oxydes bi -stables bi-stables Caract éristiques Caractéristiques microstructurales microstructurales Dispositifs égrés Dispositifs int intégrés Performances Performances Fiabilit é Fiabilité Remerciements • L2MP • IMEC (Leuven – Belgique) • N. Menou (Ph.D. FeRAM), L. Courtade (Ph.D. OxRRAM), A. Demolliens (Ph.D. MRAM), Ch. Turquat, D. Goguenheim, D. Deleruyelle L. Goux, J.G. Lisoni, R. Müller, D.J. Wouters Crocus Technology L. Prejbeanu, J-P. Nozières, Y. Conraux, K. MacKay
