～高速化技術とマイコンテストチップによる実測結果をISSCC 2024にて発表～
Embedded STT-MRAM テストチップ
ルネサス エレクトロニクス株式会社（代表取締役社長兼CEO：柴田 英利、以下ルネサス）は、このたび、スピン注入磁化反転型磁気抵抗メモリ（STT-MRAM、以下MRAM）の高速読み出し可能な技術と、書き換え動作の高速化を実現する技術を開発しました。22nm ロジック混載MRAMプロセスによって、10.8Mbit（メガビット）のMRAMメモリセルアレイを搭載したマイコンテストチップを試作し、ランダムアクセス周波数200MHz超と、書き換えスループット10.4MB/s（メガバイト/秒）を達成しました。
ルネサスは本成果を、2024年2月18日から22日までサンフランシスコで開催されている「国際固体素子回路会議 ISSCC 2024 （International Solid-State Circuits Conference 2024）」で、2月20日に発表しました。
近年、IoT化の加速やAI技術の進歩などにより、エンドポイント機器に用いられるマイコンにも、より高い処理性能が必要となっています。高性能マイコンのCPUのクロック周波数は数百MHzクラスに達しており、さらなる高性能化のためには混載不揮発メモリの読み出し周波数を高めてCPUクロック周波数とのギャップを極力小さくすることが要求されています。従来マイコンに搭載されているフラッシュメモリに比べて、MRAMは読み出しマージンが小さく、読み出し速度の高速化に課題がありました。一方、書き換え動作に関しては、MRAMは消去動作が不要のためフラッシュメモリに比べて高速ですが、通常使用時のみならずテスト工程でのテストパターンやセットメーカでのコードの書き込み時間の短縮によるコスト低減が求められています。
これらの課題に対応するため、ルネサスが新たに開発したMRAMの高速読み出し、高速書き換えのための回路技術は以下の通りです。
（1）高速読み出し技術
MRAMの読み出しでは一般に差動増幅回路（センスアンプ）でメモリセル電流と参照電流を比較し、その大小関係を判定することで読み出しを行います。MRAMはフラッシュメモリに対して”0”状態と”1”状態のメモリセル電流の差（リードウィンドウ）が小さく、高速リードのためにはリードウィンドウの真ん中に参照電流を正確に合わせ込む必要があります。本開発では、テスト工程においてチップごとに実際のメモリセルの電流分布を見てウィンドウのセンタが参照電流と一致するように調整する機構と、センスアンプのオフセットを低減する機構とを搭載する構成とし、これらの調整により読み出しを高速化しました。
また、従来構成ではリード動作時にビット線の電圧が高くなりすぎないように抑制する回路部分の寄生容量が大きく、読み出し動作に時間がかかる要因となっていたため、この部分をカスコード接続（注1）構成とすることで寄生容量を低減して高速化しました。
以上により世界最速となるランダムリードアクセス時間4.2nsを達成しました。これによりMRAMの出力データを受けるインタフェース回路のセットアップ時間を考慮しても200MHzを超える周波数でのランダムリード動作を実現することが出来ました。
（2）高速書き換え技術
書き換え動作に関しては、2021年12月に発表した混載メモリ用STT-MRAMの高速書き換え技術において、まずマイコンチップの外部電圧（IO用電源）からの降圧により発生した比較的低い書き換え電圧で全ビットに同時に書き込み電圧を印加して大多数のビットを書き込み、それで書き込めなかった少数のビットのみを高い書き換え電圧を用いて書き込むことで高速化を実現していました。今回さらに、テスト工程やセットメーカでの書き込み時には電源環境が安定していて、外部電圧の下限電圧を高くできることに着目し、第一段階で全ビットに印加する外部電圧からの降圧電圧を高く設定することで書き込みスループットを1.8倍高速化しました。
以上の新技術を組み合わせて、22nmロジック混載MRAMプロセスによって10.8MbitのMRAMメモリセルアレイを搭載したマイコンテストチップを試作しました。その評価を行った結果、最大接合温度125℃で、200MHz超のランダムアクセス読み出し周波数と、書き換えスループット10.4MB/sの達成を確認しました。
また本テストチップにはMRAMのメモリセルの絶縁破壊を用いて一度書き込むと改ざんできない0.3MbitのOTP（注2）も搭載しており、セキュリティ情報等の格納に用いることができます。OTPの書き込みには通常のMRAM書き込みよりも高電圧の印加が必要となり、特に供給電圧の安定度が低くなりがちなフィールドでの書き込みの難易度が高くなりますが、メモリセルアレイ内の寄生抵抗を抑えるように工夫することでフィールドでも書き込みも可能になりました。
ルネサスは、マイコンにMRAMを組み込むための技術開発を推進しています（IEDM 2021、VLSI 2022）。MRAMのメモリアクセスのスピードは、本技術の適用により200MHzを超えるレベルまで大きく改善され、MRAMを搭載するマイコンの高性能化を可能にします。さらに書き換え時間の高速化により、エンドポイント機器でのコード書き換えの効率化に貢献します。今後も、MRAMのさらなる大容量、高速、低消費電力化に向けて取り組んでまいります。
以 上
（注1） カスコード接続はソース接地のトランジスタに直列にゲートにDCバイアスを印加したトランジスタを接続する構成。
（注2） One-Time-Programmable memoryの略。MRAMのメモリアレイの一部をOTPとして使えるように構成することで、eFuseやトランジスタの酸化膜を絶縁破壊する一般的なOTPマクロよりも小面積なOTPを実現することができます。
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