Onderzoek naar betrouwbaarheidsaspecten van STT-MRAM magnetische geheugencellen.

In dit proefschrift wordt de impact van zelf-geïnduceerde opwarming op de betrouwbaarheid van de nieuwe STT-MRAM geheugen technologie bestudeerd. Geheugens zijn noodzakelijk om de performantie in rekenkrachtige elektronische apparaten (Engels: device) te verzekeren. In conventionele geheugens is de performantie verbeterd door het verkleinen van de apparaten. De vraag naar betere performantie, maar ook lage vermogens, in een wereld van meer en meer multifunctionaliteit in draagbare elektrische apparaten, maakt het moeilijk voor de conventionele geheugen hiërarchie om deze vraag te verwezenlijken. Het continue verkleinen van deze apparaten wordt moeilijk. Dit opent deuren voor nieuwe technologieën zoals de spin-overbrengende koppel magnetische RAM (Engels: spin-transfer torque magnetic RAM). Met eigenschappen als hoog uithoudingsvermogen (Engels: endurance), hoge snelheid, niet-vluchtigheid en CMOS compatibiliteit heeft het een groot potentieel in verschillende toepassingsgebieden. Bovendien, is deze technologie gebaseerd op magnetisme in plaats van op elektrische ladingen, wat meer toekomst biedt voor het verder verkleinen van de apparaten om zo alsnog de performantie te verbeteren.

Om deze technologie waar te maken, is het halen van de betrouwbaarheidscriteria cruciaal. De tunnel barrière in STT-MRAM is slechts 1 nm dik, door dewelke hoge stroomdichtheden vloeien in de orde van 1 MA/cm² en doorslag (Engels: breakdown) van de tunnel barrière kunnen veroorzaken en zo de levensduur limiteren. De levensduur van de geheugens is geschat door gebruik te maken van modellen gemaakt voor CMOS technologieën, dewelke geen bijdrage van de zelf-geïnduceerde opwarming (Engels: self-heating) in rekening brengen. Self-heating is het fenomeen waarbij de temperatuur van het geheugen toeneemt door de hoge elektrische stromen. Er zijn momenteel geen studies over hoe deze self-heating de breakdown en de gerelateerde levensverwachting zal beïnvloeden.

We hebben het effect van self-heating toegevoegd aan het breakdown model.  Tijdens een breakdown meting kan de temperatuur van het geheugen stijgen tot wel 300°C. Overigens spelen de dikte van de tunnel barrière en de grootte van de apparaten een belangrijke rol in het self-heating mechanisme. We doen een uitgebreide analyse, bekrachtigd met grote gemeten breakdownstatistieken, die gebruik maken van (1) een grote tijdsschaal van breakdowntijden van meer dan 11 orde groottes en (2) verschillende diktes van de tunnel barrière. Verder verklaren we hoe zuurstofdiffusie zorgt voor een gereduceerde weerstand tegen breakdown. Bovendien, vinden we dat het verder verkleinen van de oppervlakte en de dikte van de tunnel barrière resulteert in een verbetering van de betrouwbaarheidsmarge tussen breakdown en schrijven van het geheugen.

Daarnaast is STT-MRAM een niet-vluchtig geheugen en kan daarom zijn geheugentoestand onthouden, zelfs wanneer het apparaat afstaat. Onvoldoende data retentie zorgt voor het verlies van de niet-vluchtigheidseigenschap. Data retentie is bepaald door de energie barrière bij af-toestandscondities. Extraheren van deze energie barrière vereist acceleratiemetingen, waarna een extrapolatie met behulp van modellen naar af-toestandscondities noodzakelijk is. Wij evalueren deze extrapolatie grondig en voorzien een basis voor het valideren welk model het beste de extrapolatie naar af-toestandscondities beschrijft. Hiervoor maken we gebruik van een combinatie van temperatuur, magnetisch veld en stroom acceleratie, samen met de zelf-geïnduceerde opwarming.