嵌入式相变内存中

下一代嵌入式应用程序内存市场正变得越来越拥挤的另一个技术出现arena-embedded相变内存。

相变存储器不是新的,几十年来一直在进行。但这项技术已经不再商业化在技术和成本的挑战。相变内存,一个存储数据的非易失存储器类型通过改变材料的状态,是有吸引力的,因为它是与更好的耐力比今天的闪存。

像许多新的内存类型,相变内存有两种forms-standalone和嵌入。在独立方面,英特尔在一段时间内一直在运输设备称为3 d XPoint,下一代基于相变内存。英特尔销售3 d XPoint设备为固态存储驱动器(ssd)和其他产品。此外,微米发展这项技术。

意法半导体是抽样产品基于嵌入式相变内存。它是开发一个汽车单片机(MCU)和嵌入式相变,基于28 nmFD-SOI技术。到目前为止,意法半导体公司是唯一宣布嵌入式相变,尽管在研发中芯国际和台积电正在探索它。

嵌入式市场不同于独立的设备。在嵌入式单片机集成闪存代码存储,设备启动和运行各种程序。通常,该行业使用flash嵌入内存,但精疲力竭了,可能也没有停止扩展在28 nm或22纳米。

这就是嵌入式相变,连同其他下一代记忆类型——预计将取代也当它停止扩展。除了相变,包括其他竞争者为嵌入式应用程序碳纳米管公,FeFET“弗拉姆”,MRAM和ReRAM。

但搬到一个新一代嵌入式内存类型是具有挑战性的。有些技术几乎准备好了,而另一些则仍在研发。和目前尚不清楚新的内存类型将长期占据上风。

“这还为时过早,”吉姆说方便,客观分析的分析师。“MRAM是充分利用噪音,但这并不一定意味着它赢得了战斗。它可能为时尚早。”

随着时间的推移,oem厂商可能会采用一些新的内存类型,因为没有一种技术可以解决所有的应用程序。但在oem厂商采用,产品必须满足一定的价格和性能规格。

下一代记忆躁狂
今天,微控制器(mcu)是用于大量的系统,比如飞机、家用电器、汽车和医疗设备。在芯片和单片机执行处理功能将各种组件在同一设备上,如SRAM、嵌入式内存和外围设备。

静态存储器存储数据和常用的指令。基于嵌入式内存eepm或也不闪。“eepm,每个位两个晶体管,每个字节可以被删除或re-programmed,“方便的说。”在每一块也不闪,我们有一个巨大的晶体管,消除所有的碎片。一个巨大的晶体管芯片还可以节省大量空间,相比两个晶体管每一点。”

嵌入式市场的新一代记忆是针对两个应用程序。“所有的嵌入式技术正在争夺相同的奖品取代嵌入式eepm和flash,也许最终,嵌入式SRAM,“方便的说。

SRAM是快,但它占用太多空间。所以行业正在开发一个新的内存来取代SRAM的全部或部分。MRAM是最主要的竞争者,但这项技术仍然必须证明。

嵌入式MRAM是针对在处理器和单片机SRAM-based缓存功能。

“有不同级别的缓存,”吉尔说李,董事总经理的内存技术应用材料。“一级缓存存储器。2级缓存存储器。现在,三级缓存也是SRAM,这是最大的区域应用程序处理器或微处理器。嵌入式存储器的一个目标是取代三级缓存。如果STT-MRAM可以代替这个三级缓存存储器,它可以保存地区。细胞的大小、SRAM是巨大的,但MRAM可以小得多。”

嵌入式flash,有时被称为eFlash,是一个不同的应用程序和其他问题。单片机与嵌入式和基于40 nm今天在生产过程和上面。然后,单片机在28 nm增加22纳米和较小的几何图形。

问题是很难规模也在28 nm / 22纳米。这项技术需要更多的面具在每个节点,从而增加了成本。“许多人认为,28 nm / 22纳米将eFlash,不是因为可伸缩性限制,而是因为经济壁垒,”David Hideo Uriu说产品营销总监联华电子。“你能嵌入flash超过28 nm的规模吗?简短的回答是肯定的,我们将支持在我们22 nm节点。但宏观设计本质上是一样的我们的28 nm。”

无论如何,这个行业需要一个新的嵌入式解决方案在28 nm / 22纳米,和下一代记忆承诺填补这一空缺。新的内存类型也针对独立设备市场。

下一代记忆多年来一直在研发,并在过去的共识是他们将取代今天的记忆类型,如DRAM、flash和SRAM,有各种各样的限制。

例如,动态随机存取记忆体是便宜的,但它也是一个耗电设备不稳定。它失去了数据在电力系统中是关闭的。然后,闪存存储数据在操作,即使是关闭的。不过,flash经历多个读/写周期编程时,这是一个缓慢的过程。

新的记忆是有吸引力的,因为他们结合SRAM的速度和flash的non-volatility无限的耐力。他们还提供了编程时可更改性。

但是,新的记忆已经发展比预期更长的时间。大多数利用特殊材料和切换计划来存储信息,他们现在在工厂制造一些挑战。另外,现有的记忆比此前认为的扩展得更远,便宜。这些和其他因素阻碍了新的内存类型获得广泛采用。

然而,MRAM和相变对航运和独立应用程序取得了一些进展。他们还没有取代传统的记忆。相反,他们的工作与现有的内存来帮助加速各种任务系统。

在嵌入式市场,弗拉姆号和ReRAM已经航运了一段时间,与MRAM和其他技术。

需要多个内存类型作为一个产品不能做所有的事。说:“有很多选择,安琪Sekiguchi企业创新部门的副总经理电话。“多个解决方案可以为不同的应用程序和设备工作”。

决定使用一种技术或另一个取决于几个因素。“我的要求是什么?持续多长时间?其余的是它是否符合所有的可靠性要求和性能要求。然后,汽车行业都有自己的需求,这往往是更严格的,”Sekiguchi说。

今年将迎来巨大的考验,当MRAM制造商和ReRAM将试图取代也在嵌入式方面。“嵌入式市场的非挥发性记忆体、嵌入式MRAM和ReRAM将开始看到行业2019年卷,“联华电子的Uriu说。“看来MRAM是可能略高于ReRAM由于其发展的长度。因为它是刚刚开始为消费者和汽车的成绩,我们还没有看到明显的卷。但是如果我们向前看2020年及以后,这个行业会高速增长。”

MRAM与ReRAM与PCM
嵌入式MRAM的势头正在建设的今天,一些铸造供应商为客户开发技术。GlobalFoundries,三星,台积电和联华电子正在开发新一代MRAM技术自旋扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片提供非易失性属性。

在传统的记忆中,数据存储电荷。相比之下,MRAM使用磁隧道结(MTJ)存储单元存储元素。

STT-MRAM芯片是滴到ssd的使用市场。对于这个应用程序,温度要求不太严格。

汽车、单片机与嵌入式内存大市场,有不同的需求。任何一种新兴的非易失性内存,将用于单片机的汽车必须通过严格的可靠性规范。它必须满足回流焊的要求,高可靠性和保质期大于20年。汽车应用程序需要125°,0级需要150°,”Uriu说。

要求更为苛刻的高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术。ADAS涉及各种安全特性在车里,如自动紧急制动和车道检测。

“一如既往地连接和自动车辆接近现实,高密度的要求和节能嵌入式非易失存储器解决方案预计将增长在汽车应用中,“Kangho Lee说,一个MRAM技术专家GlobalFoundries在最近的一篇论文。“启用一个新兴的嵌入式非易失存储器技术对于汽车应用程序,它是至关重要的,验证嵌入式非易失性内存能够会议sub-ppm比特误码率(BER)和耐力/数据保留要求整个生产操作温度范围。”

在一个重要的里程碑,GlobalFoundries最近演示了一个22纳米FD-SOI技术,它包含40-Mbit嵌入式MRAM automotive-grade-1 (Auto-G1)单片机应用程序。技术已经证明sub-ppm误码率和零失败后100万耐力周期跨Auto-G1操作温度范围(-40°~ 150°C)。

与此同时,中芯国际,台积电和联华电子正在开发嵌入式ReRAM,针对使用者应用程序。在ReRAM,交换媒介位于顶部和底部电极之间。上面一个正电压时电极、导电纤维在两个电极之间形成。丝由离子原子。一个负电压时底部电极、导电丝断裂。

图1:MRAM与ReRAM。来源:联华电子

最新的竞争者是相变内存,有时称为PCM。“相变内存技术是基于材料可以是无定形或在正常环境温度下结晶。晶态的低电阻和无定形状态有高电阻,方便说“客观分析。“相变内存的名字源于这一事实之间的一些细胞开关晶体和无定形的阶段。这是由融化一些细胞通过控制电流虽然它,然后让它冷却速度不同。”

有在市场上不同类型的PCM记忆细胞。在一个版本中,相变存储单元由四个一底电极,电极,加热器和销售税材料。消费税材料置于顶部电极。底部电极分开。加热器,它像一个通过,连接底部电极销售税/上电极结构。在操作中,加热器晶体和无定形状态之间的细胞变化。

英特尔的3 d XPoint相变存储器的最显著的例子。结构被称为交叉点体系结构。基于20 nm几何图形,3 d XPoint是建立在一个两层的多层架构与128 -千兆密度。

3 d XPoint是存储类适合介于DRAM和NAND内存。它是与更大的耐力比NAND快。

就其本身而言,意法半导体开发单片机与嵌入式16 mb (mega-byte)相变存储单元。的单片机是与body-biasing FD-SOI 28 nm制程技术制作的能力。一个5伏晶体管已经证明。macro-cell取得了误码率的分布多个烘焙后的<可达150°C和10 k循环代码存储记忆。

的单片机的目的是在汽车上的严格要求。“汽车应用程序通常需要高水平的可靠性在炎热的温度下,”弗兰克Arnaud表示技术开发总监意法半导体。”在所有电阻记忆提出创新的解决方案能够取代浮置栅极细胞,相变内存是唯一证明同时兼容的汽车需求(几年的数据保留在150°C),能够保证代码完整性回流焊后热剖面(260°C峰值温度)multi-megabit数组。”

不过,嵌入式PCM必须证明。也有一些技术和成本问题,使相变内存口味的工厂。

相变存储器是基于一个奇异的合金,锗锑碲(销售税)化合物,硫族化物。

“相变内存使用硫族化物的眼镜,这需要从硅分离,以避免污染,“方便说客观分析。“好检疫技术开发当铜开始用于互联在1990年代,所以这不是一个显示制动器。相变存储器也比ReRAM或MRAM温度敏感,但这已经充分解决了大多数焊料回流需求。”

一般来说,每个相变类型需要不同的工厂的流程步骤。例如,交叉点设备在工厂中,第一步是生成一堆材料使用一个交替沉积的过程。简单来说,存款底部沉积工具电极材料衬底,其次是消费税的材料,然后上电极材料。

然后,各个柱子的使用传统的光刻工具在堆栈上。模式是蚀刻,形成单个柱结构成为了PCM细胞。然后,词和位线形成。

这个过程是复杂的各种挑战。在交替沉积步骤中,这样做是为了使统一用干净的接口和堆栈没有缺陷。但真正的挑战是腐蚀过程。反应离子刻蚀(RIE)是一种腐蚀,有效地雕刻出一个结构通过轰击表面化学过程。

尽管RIE,消费税的材料可能是敏感的等离子能量,造成热损伤。所以该行业正朝着离子束蚀刻(IBE)工具。在IBE,腐蚀机制是由轰击离子的结构。

“我们看到的是越来越依赖设备启用扩展和创新新技术,尤其是在领域的新材料和腐蚀的能力。我们已经看到这个3 d与非,在PCM等新兴的记忆和MRAM,”杨说,公司的先进技术开发的副总裁林的研究。“所有这些新的内存技术依赖于新材料和腐蚀过程。设备创新,如IBE,新的内存技术的成功的基础。”

还有其他挑战。通常,DRAM, NAND flash制作在一个内存芯片厂。在嵌入式,新一代内存技术MRAM和相变等工厂建在一个逻辑。

逻辑外事局,晶体管的部分设备是由所谓的front-end-of-the-line (FEOL)。然后,设备运送到一个单独的工厂设施被称为backend-of-the-line(BEOL)。BEOL是金属层和小铜互联在芯片制造的。

通常情况下,嵌入式MRAM、相变等工厂建立在BEOL逻辑。一般来说,嵌入式内存之上的接触或通过在芯片的金属层。

在一个例子中,台积电(TSMC)最近发表了一篇论文在嵌入式相变内存40 nm制程技术。在实验室里,台积电的PCM细胞,它坐落在铜互连金属4和5层堆栈。

在这种流,掺杂销售税材料沉积在电极底部,其次是上电极的沉积。顶部电极和销售税材料图案,然后连接到M5层结构,根据台积电。

“嵌入式内存应用程序兼容性与底层逻辑过程是至关重要的,”吴J.Y.说,台积电研究员。“最小化操作当前需要PCM电热材料优化的存储单元结构设计”。

目前还不清楚如果台积电计划为铸造客户提供嵌入式相变。这取决于需求,成本和其他因素。

MRAM和ReRAM,研发的其他技术,比如碳纳米管公羊和铁电场效应晶体管(FeFETs)。

技术将成为最终的赢家呢?现在还不清楚。尘埃尚未落定的竞争力和拥挤的景观。

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