例如格羅方德先前已由晶圓級測試展示0Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集功能，突顯出sub-ppm BER、數據保留以及從1Mb收集的早期可靠性結果。但是為了保證eMRAM產品的可製造性，最重要的是驗證具有高良率的封裝水準產品的功能性與可靠性。本研究使用先進的磁性穿遂接面(MTJ)堆疊、整合和蝕刻製程，藉由在寬廣的工作溫度範圍(-40至125℃)和ECC-off模式下的封裝水準所取得的產品功能性和可靠性，證明22nm FD-SOI eMRAM的可製造性。
格羅方德的eMRAM產品能夠通過標準的可靠性測試，例如LTOL(168小時)，HTOL(500小時)，1M的耐久週期和5x回流焊接測試，故障率小於1ppm。此外40Mb eMRAM巨集能夠滿足備用和主動模式下的磁抗擾性要求。
eMRAM技術實現高良率
40Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集，其中顯示MTJ陣列的橫截面TEM(圖1)。該晶片配備內部偏壓、時序控制系統和ECC。內部電壓以tick為單位，由登入設定進行管控。MTJ堆疊、整合和蝕刻製程已進行優化，以符合蝕刻製程和HPD2後續退火製程，但仍符合晶片級的所有MTJ性能表現。
藉由達成高穿隧磁阻效應(TMR)[TMR=(Rap-Rp)/Rp]，其中Rp為並聯(P)或是狀態為0電阻，而Rap為反並聯(AP)狀態為1電阻和減少MTJ電阻分布，進一步改良MTJ堆疊和蝕刻製程，爭取20%的讀取裕量，以確保在125℃量產時能保持穩定的良率。圖2(a)和(b)分別顯示，拜先進的MTJ堆疊和蝕刻製程所賜，TMR和電阻分布的改進，達成TMR/的(Rp)~24(一般SA需求>20)，以確保在125℃的情況下能獲得高良率。
藉由提升自旋轉移矩效率，符合5x回流焊接後，再提高寫入裕量。實際的1Mb位單元MTJ電阻分布，描繪了σ(Rp)~28的較寬分隔(圖3)。良率隨時間推移出現諸多指標性的變化，最終製程實現了穩定且高良率(圖4)。而5x回流後不同MTJ和蝕刻製程的BER趨勢(圖5)。透過優化的製程，整個晶圓獲得穩定的回流性能(中位數BER<1E-7)。
不同MTJ堆疊的標準化開關電壓(Vc)與矯頑磁場(Hc)之間的關係(圖6)，所有這些堆疊都通過5x回流焊接，良率為100% (BER<1ppm)。陰影區域中的數據點顯示出最佳的寫入裕量，並且選擇了產品認證堆疊來獲得最佳的耐久裕量，同時滿足5x回流焊接的要求。
為了進一步提高耐久裕量，須調整氧化鎂(MgO)阻障和蝕刻製程。來自位元陣列的TDDB特徵(圖6b)顯示，在工作電壓下以製程3(用於品質鑑定)，TDBB的固有改良>2。在晶圓級進行最終鑑定過程中，所測量的MTJ電氣測試(ET)參數的分布(圖7)，描述整個晶圓的常態分布。此後，出現了從大量封裝零件中收集到的40Mb eMRAM產品性能表現資料。選擇工作電壓(Vop)偏置條件來過度驅動晶片，以包含晶片到晶片和晶圓到晶圓t0 BER<1ppm的變異性。
eMRAM產品寫入/讀取性能
在-40和125℃的條件下寫入shmoo數據(圖8)，通過/未通過(P/F)標準則是根據BER<1ppm(無ECC)所設置。該晶片配備了內部偏置控制系統，透過追蹤MTJ設備的溫度感應度，可確保在整個工作溫度範圍(-40∼125℃)內具有可比較的寫入裕量。
結果顯示在-40℃、Vop情況下，具有足夠的寫入裕量(P→AP:Vup=28ticks, AP→P:Vdn=37ticks)。圖9為25和125℃時讀取的shmoo數據，通過/未通過標準為BER<1ppm。儘管由於TMR的降低，讀取裕量窗口在125℃時縮小，但在目標讀取偏置(26ticks)且在無ECC的情況下，成功的讀取操作已達到19ns(target=22ns)的讀取存取時間。
eMRAM產品具高可靠性
圖10為Rp和Rap狀態下從40Mb eMRAM封裝部件5x回流焊接後的BER，所有零件均通過BER<1ppm標準。圖11則呈現在不同的週期間隔下，封裝部件在25/-40℃和125℃下，不同的耐久性能。若將雙極脈波(在一個週期內編程/擦除)應用於40Mb巨集，儘管在-40℃條件下Vc升高，但所有零件都通過了1M的耐久週期測試，故障率也小於1ppm。
基於位元陣列的TDDB數據預測25℃條件下，200ns寫入脈波時1ppm耐久故障率的週期數。結果顯示，即使用E-model保守估計，若巨集在Vop上，也可以符合5E6週期(圖12)，由此驗證了圖11所示的封裝水準耐久性能。圖13則為承受雙極200ns寫入脈波的1M耐久週期之前後Rp，和Rap狀態下128Kb的位元電阻分布。
由於並未觀察到電阻分布的降級，從而確保耐久週期後的巨集讀取性能。Rp和Rap狀態下168和500小時，在125℃在巨高溫工作壽命(HTOL)的性能表現如圖14所示。封裝零件完全符合不良率小於1ppm標準。低溫工作壽命(LTOL)係在-40℃溫度下測試168小時的結果，也通過不良率小於1ppm標準(圖15)。延長的HTOL和LTOL將高達1000個小時，且仍在持續進行中。
eMRAM具主動磁抗擾性
經過評估40Mb eMRAM的備用和主動模式下的磁抗擾性能，以檢查巨集能力，使其能夠涵蓋更廣泛各類需要磁抗擾性的應用。在不同溫度下(25/55和105℃)測試備用磁抗擾性，將巨集暴露於外部垂直磁場20分鐘之後，再計算40Mb以上的讀取失敗次數(圖16)。
在800-2100Oe的磁場範圍，以100Oe的步幅使用，以取得足夠的誤差來預測BER小至0.1ppm的水準。圖16為磁場暴露20分鐘後的BER與外部磁場的關係，eMRAM巨集在105℃下20分鐘的備用磁抗擾性大於800Oe，故障率小於0.1ppm。運用疇壁傳播能量障壁(EB)模型，在105℃下10年的備用磁抗擾性，預期值約為600Oe。儘管高EB MTJ堆疊的讀取干擾(RD)預計會大幅減少，但外部磁場可以在高工作溫度下對RD適當調整。
透過監控讀取失敗，並同時增大讀取偏置和外部磁場，可以顯示在25和125℃時從40Mb巨集收集到的RD shmoo數據(圖17)。每個場步(Field Step)的有效停留時間約為1秒。P/F標準是小於1ppm。在900Oe以下沒有發現任何讀取失敗，偏差在偏置範圍內也沒有發現任何調變：測試了20~30tick的範圍(一般為26tick)。在Vop，-40℃承受1M耐久週期之前後，在55℃溫度磁場暴露20分鐘的條件下，所收集的備用磁抗擾性數據中，1M耐久週期後未觀察到磁抗擾性的降低(圖18)。
當外部磁場調變為Vc時，它會增加巨集Vop，進而降低整體耐久裕量。因此，主動模式的磁抗擾性最終會受到巨集指令耐久裕量的限制。為了評估主動模式的磁抗擾性能，在恆定磁場存在的條件下測試晶圓級的40Mb巨集寫入錯誤率(WER)和耐久週期性能。圖19顯示了在P→AP和AP→P方向都存在零與+/-500Oe外部磁場的情況下，40Mb巨集的WER圖。在外部磁場為-500Oe和+500Oe的情況下，對於BER≤1ppm的標準，巨集的中值Vdn增加約為4ticks，Vup增加了約為2ticks。
圖20為在-40℃下從具有200ns雙極脈波的1Mb子陣列，以不同的Vop值(相對於0，+/-500Oe外部磁場值)收集的週期耐久數據。即使在最壞的情況，Vop同時受到Vdn的+4ticks和Vup的+2ticks的過度驅動，以覆蓋從隨機方向500Oe外部磁場，也沒有觀察到1M週期後的耐久失敗。此結果證明了eMRAM巨集功能可覆蓋約500Oe的主動磁抗擾性。而封裝水準的磁抗擾性，仍在進行產品的可靠性檢查測試。
eMRAM適用於工業級量產
藉由在ECC-off模式下封裝水準，達成高良率和產品可靠性，證明22nm FD-SOI 40Mb eMRAM的可製造性。使用先進的MTJ堆疊，整合和蝕刻製程，可以對TMR和電阻分布進行最佳優化，以符合400℃ BEOL和HPD2的後續退火製程，並且仍具有良好的高溫讀取和低溫寫入裕量。
從封裝水準的數據來看，透過可靠性測試，例如LTOL(168小時)，HTOL(500小時)，1M耐久週期和5x回流焊接(故障率<1ppm)，可進而確認產品的可靠性。此外證實40Mb eMRAM巨集能夠在105℃的溫度下，覆蓋約600Oe的備用磁抗擾性長達10年，並具有約500Oe的主動模式磁抗擾性。此處展現的結果，已確認eMRAM可用於各種工業級和IoT應用的大量生產已準備就緒(表1)。
(本文由格羅方德提供)
