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四个铸造厂回MRAM

随着闪存扩展问题的出现,新一代嵌入式内存技术正在兴起。

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四大代工厂计划在今年或明年提供MRAM作为嵌入式内存解决方案,为最终可能被证明是这种下一代内存技术的游戏规则改变奠定了基础。

GlobalFoundries、三星、台积电和联电计划开始提供自旋转移转矩磁阻RAM (ST-MRAM或STT-MRAM),作为NOR闪存的替代品或替代品,可能在今年晚些时候开始。这代表了市场的一个巨大转变,因为到目前为止只有Everspin已经发货MRAM用于各种应用,如电池支持的SRAM替换、写缓存等。

STT-MRAM的下一个大机会是嵌入式内存IP市场。传统的嵌入式存储器NOR闪存在从40nm迁移到28nm甚至更远的过程中遇到了各种各样的问题。因此,这些代工厂的支持可以将STT-MRAM转变为先进节点的事实上的替代技术。

STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性。实际上,它结合了速度静态存储器的非波动性闪光.也许更重要的是,它几乎拥有无限的续航能力。

“嵌入式闪存将继续成为恶劣环境下的数据保留冠军,特别是在汽车和安全应用领域,”英特尔嵌入式内存副总裁Dave Eggleston表示GlobalFoundries.“这就是嵌入式闪存将有很长的寿命的地方。但它不能很好地扩展。当你的工艺降到28nm或更低时,嵌入式闪存实际上变成了一个昂贵的选择。”

因此,业界需要一种新的解决方案,而STT-MRAM恰好为2xnm及以上的嵌入式内存应用做好了准备。Web-Feet Research首席执行官Alan Niebel表示:“嵌入式STT-MRAM在取代汽车、物联网、消费和移动领域mcu和soc中的嵌入式闪存方面具有广阔的前景。”“首先补充,然后取代嵌入式DRAM和SRAM,这对MRAM来说也是一个巨大的机会,它将为处理器增加持久性能力。”

然而,STT-MRAM是否能实现期待已久的替代承诺仍有待观察动态随机存取记忆体完全。这可能永远不会发生。无论如何,MRAM最终可能会成为一个大市场或一个利基解决方案,这取决于几个因素。

有利的一面是,STT-MRAM将很快从多个供应商准备好,并适用于一系列应用。此外,主要代工厂进入STT-MRAM领域的举动可能会提高规模经济并降低技术成本。

但仍有一些挑战,因为并非所有代工客户都需要22纳米及以上的芯片。另外,STT-MRAM是一种相对较新的技术,客户可能需要时间来整合它。制造方面也有各种各样的挑战。

什么是下一代内存?

自20世纪90年代以来,MRAM是几种下一代内存类型之一。这些都是非易失性提供无限续航能力的技术。就像闪存一样,当系统断电时,它们可以保留数据。相比之下,DRAM是不稳定的,当电源关闭时,它会丢失数据,尽管信息事先被传输到存储中。

除了MRAM存储器,下一代存储器还包括碳纳米管存储器、铁电存储器(FRAMs)、相变和电阻存储器(ReRAM)。

碳纳米管ram利用纳米管在器件中形成电阻态。同时,FRAMs使用铁电电容器来存储数据。英特尔和美光公司的3D XPoint技术是下一代相变存储器的一个例子。另一种技术,ReRAM,是基于电阻元件的电子开关。事实上,中芯国际、台积电和联电正在与各种合作伙伴开发ReRAM。

虽然这些技术很有前景,但许多技术的开发时间比之前预期的要长得多。"这些新颖的记忆体技术大多已经研发了相当长的时间,但它们仍在成本和可扩展性方面与传统记忆体技术竞争,"英特尔嵌入式非易失性记忆体助理副总裁Yau Kae Sheu表示联华电子

显然,传统存储器——dram、闪存和sram——仍然是市场上的主力技术。在当今系统中的内存层次结构中,SRAM被集成到处理器中用于缓存,以实现快速数据访问。然后,层次结构中的下一层DRAM用于主存储器。磁盘驱动器和基于nand的固态存储驱动器(ssd)用于存储。

如今,存储器市场正在蓬勃发展,特别是用于3 d与非.“驱动因素是数据中心对ssd的需求,”东京电子有限公司(TEL)总裁兼首席执行官河井俊树(Toshiki Kawai)在最近的一次演讲中说。

这也推动了对晶圆厂设备(WFE)的需求。Kawai表示:“由于对下一代3D NAND和先进逻辑的投资,2017年WFE资本支出预计将同比增长10%以上。”

与此同时,几种新一代内存类型也开始兴起。目前,3D XPoint和STT-MRAM可以说是最有动力的,而碳纳米管ram、FRAM和ReRAM则在等待。

这些技术中的大多数(如果不是全部的话)都可能在某个时候找到套接字。没有一个单一的内存可以满足所有的需求。“你有ReRAM, PCM, 3D XPoint和STT-MRAM,”公司首席技术官David Fried说Coventor.“什么会赢?”它们都有可能在特定的应用中找到归宿。”

例如,MRAM已经在市场上找到了插座。在传统存储器中,数据以电荷的形式存储。相比之下,MRAM使用磁隧道结(MTJ)存储单元作为存储元件。Everspin总裁兼首席执行官Phillip LoPresti表示:“我们利用磁性或电子自旋操纵来控制钻头的电阻,这使我们能够编程1和0。”

Everspin的第一个MRAM设备被称为toggle MRAM,它适用于基于sram的电池备份市场。但如今,该行业正专注于被称为垂直STT-MRAM或ST-MRAM的下一代技术。


图1:自旋扭矩MRAM技术。来源:Everspin

“STT-MRAM利用电流直接通过细胞,”Er-Xuan Ping说,他是硅谷硅系统集团存储器和材料的总经理应用材料.“它利用自旋极化电流来改变薄膜的磁化强度。”

Toggle mram被广泛应用于该领域,但它们有一些缩放限制。“STT-MRAM有几个优点。其中之一就是规模,”平说。“STT-MRAM与传统MRAM相比还有其他优势,因为你把电流直接穿过电池。利用这些能量来切换磁化强度会更有效。它比现场驱动的MRAM要高得多。”

在最近的一次演讲中,Seung Kang,工程总监Qualcomm,列出了STT-MRAM的一些关键属性:

•具有与DRAM和SRAM相同的特性的非挥发性;
•几乎无限的耐力,和
•速度快,电压低
CMOS友好。



图2:1T-1MTJ pSTT-MRAM结构。来源:GlobalFoundries

然而,STT-MRAM存在以下挑战:

•复杂的薄膜堆;
•窄的传感边缘,和
焊料回流保留。

不过,Everspin已经推出MRAM已有一段时间了,包括256兆的垂直STT-MRAM,基于其代工合作伙伴GlobalFoundries的40nm工艺。Everspin正在对基于28nm工艺的1gb部件进行取样。

作为与Everspin授权协议的一部分,GlobalFoundries正在为其即将推出的22nm FD-SOI平台开发嵌入式STT-MRAM。随着时间的推移,晶圆代工厂计划为其12纳米FD-SOI工艺以及14纳米和7纳米finfet开发嵌入式MRAM。

GlobalFoundries很快就会有同伴了。三星、台积电和联华电子分别为嵌入式客户开发这项技术。三星拥有自己的IP,而其他人则与各种合作伙伴合作。

从Everspin的角度来看,它正在接受可能被视为竞争的东西。“从我们的角度来看,这一切都是好事,”Everspin的LoPresti说。“这是对行业的肯定。它还将加速生产设备的规模经济。如果(代工厂)推出MRAM,这意味着他们会去找工具人员,要求他们安装具有良好吞吐量和投资回报率的生产工具。”

除了Everspin和晶圆代工厂外,英特尔(Intel)、美光(Micron)和东芝- sk海力士(Toshiba-SK Hynix)两家公司也在研发MRAM。与此同时,Avalanche、Crocus和Spin Transfer Technologies等几家初创公司正在开发这种技术。

使STT-MRAM
对大多数人来说,制造MRAM说起来容易做起来难。MRAM涉及新材料、集成方案和设备的开发。

它还具有与传统内存不同的处理流程。通常,MRAM工艺从传统的晶圆厂开始,由代工供应商在所谓的前端生产线(FEOL)中制造标准CMOS晶圆。电路可以结合晶体管方案或类似微控制器(MCU)的设备。

然后,器件和/或基板被运送到称为后端(BEOL).BEOL是在设备顶部制造金属层和微小的铜互连的地方。

STT-MRAM是在BEOL的晶圆厂中制造的。实际上,STT-MRAM存储器层是建立在芯片的一个金属层(如金属层4 (M4)或其他金属层)的接触点之上的。


图3:嵌入式MRAM。来源:Everspin

相比之下,DRAM和闪存是在内存晶圆厂的FEOL中加工的。在FEOL中,传统的记忆在更高的温度下处理。

然而,MRAM的磁膜很薄,无法承受更高的温度,所以MRAM是在温度低得多的BEOL中制造的。“磁膜非常薄。应用材料公司的平说:“它们不能有很高的温度。

制造STT-MRAM是一个精细的过程。如果步骤不精确,就会出现问题。卖空经常会发生,从而影响收益。缺陷也是一个挑战。

对于初学者,STT-MRAM需要对以下部分进行三个掩膜步骤——底部电极、顶部电极和MTJ单元。第一步是沉积一层薄薄的材料,这层材料成为底部电极。然后,这是第一个困难的部分-形成胶片堆。薄膜堆叠可能有20到30层。诀窍在于精确地将这些薄膜叠在一起。

“这是一层几埃范围内的非常薄的薄膜,”平说。“你把它们堆叠起来,以最大化磁化强度。”

在某些情况下,STT-MRAM是在使用各种工艺模块的封闭集群工具中制造的。模块包括单独的室物理气相沉积(PVD),退火和离子束蚀刻。

胶片堆如果暴露在空气中就会出问题。“你需要在一台机器上蚀刻和封装它,”托斯滕·里尔(Thorsten Lill)说林的研究.“你不能把晶圆暴露在空气中。”

STT-MRAM由一个MTJ记忆单元组成。MTJ使用了一种基于氧化镁(MgO)的薄介电隧穿阻挡膜,该膜被两层基于钴-铁-硼(CoFeB)化合物的铁磁性层夹在中间。在操作中,电流通过MgO薄膜,厚度约为10埃。根据应用材料公司的说法,CoFeB层是10到30埃。


图4:pMTJ薄膜堆叠细节,(b)和(c)为pMTJ阵列的截面和俯视图。资料来源:应用材料

在fab中,堆栈可以被调优。“关于MRAM的有趣之处在于,你可以使用更低或更高温度的设备,这取决于你如何构建堆栈。你可以让它像闪存或SRAM。所有这些都可以通过对堆栈进行微调来完成,”Lam的Lill说。

然后,薄膜堆栈退火,然后是下一个大的挑战-蚀刻。为了形成所需的尺寸和尺寸的MTJ堆栈,在表面沉积一个抗蚀剂,然后蚀刻。

传统的反应性离子蚀刻(RIE)工具不用于STT-MRAM,因为它们会损坏堆栈。相反,工业界使用离子束蚀刻(IBE),它使用带电离子束蚀刻薄膜。

在IBE中,离子束击中表面。“这是溅射,”莉尔说,“这被称为化学增强离子束蚀刻。第一代是纯惰性气体氩氙溅射。

然而,IBE也面临一些挑战。“离子束蚀刻器在音高上有限制。当你用较小的音高时,会有阴影效应。这项技术仍在开发中。”

然后,IBE之后,对设备进行封装。在每一步,设备都要经历各种计量步骤。“我们希望这些新的架构能够推动计量和检验的新需求,”Neeraj Khanna说,他是该公司客户参与的高级总监KLA-Tencor

杀手级应用?
在晶圆厂的进展中,STT-MRAM目前正在几个市场上获得动力。“有两个用例。第一个是替换嵌入式闪存。另一种是嵌入式SRAM,这是一个更困难的用例,”Lam的Lill说。“看起来业界的共识是STT-MRAM是一个很好的嵌入式解决方案。这样,相变和ReRAM就可以成为独立的器件。ReRAM也可以被嵌入。”

多年来,业界一直在探索开发STT-MRAM作为DRAM的替代品。这些努力仍在研发阶段。

无论应用程序如何,该行业都面临着一些挑战,要将这项技术推向更多的主流。例如,STT-MRAM仍然需要证明它可以满足汽车高温下严格的可靠性和数据保留规范。

“设计和开发基本的STT-MRAM存储技术花了很多年,”Web-Feet的Niebel说。开发和生产一项新的NVM技术至少需要7年时间,然后再花5到7年时间将其整合到客户的产品周期中。”

Everspin的目标是将其STT-MRAM用于ssd和RAID系统中的写缓存应用。通常,ssd使用基于dram的缓冲区来帮助加快系统速度。但如果系统断电,数据就有危险。因此,ssd也将包含电容器,但这增加了系统的成本。

为了解决这个问题,STT-MRAM可以合并到SSD的写缓冲区套接字中。Everspin的LoPresti说:“一旦数据写入我们的部件,因为它们是非易失性的,你就不再需要连接超级电容器或电池。”

另一个市场,嵌入式内存,也正在升温,尤其是对微处理器而言。通常,mcu在同一芯片上集成多个组件,如CPU、SRAM、嵌入式内存和外围设备。嵌入式存储器,如NOR闪存,用于代码存储和其他功能。

mcu正在从40nm迁移到28nm, NOR也遵循同样的迁移路径。然而,在2xnm节点上,NOR开始出现写入速度慢和持久性问题。它也变得更加昂贵,因为它需要更多的掩模步骤。

超过28nm, NOR就很难实现规模化。“所以人们正在寻找替代方案,”UMC的Sheu说。“这就是为什么新兴记忆现在受到了很多关注。”

用新的内存类型替换NOR并不是一项简单的任务。Sheu说:“对这些相互竞争的新型内存类型的关键要求是性能、可靠性、密度和成本。”

那么,这一切将如何发展呢?“我们仍然预计28nm将是一个长节点,”他说。“现有的28nm浮栅技术已被证明在这一领域表现良好。性能、耐用性和成本优势使传统eNVM成为一种通用的解决方案。随着它的成熟,预计它将在未来几年主导各种应用,如物联网、汽车和移动设备。”

其他人也同意。GlobalFoundries的Eggleston称:"嵌入式闪存将存在很长一段时间。"“对于那些不想改变的保守客户来说,他们将继续从晶圆代工厂寻找嵌入式闪存,以扩展到低几何尺寸。”

不过,目前STT-MRAM似乎已经为2xnm节点的嵌入式市场做好了准备。其他类型的内存仍然停留在研发阶段。“对于嵌入式来说,我们看到的是对速度的需求,”Eggleston说。“MRAM可以在低写入能量的情况下为您提供高耐力和快速写入速度。MRAM的成本与嵌入式闪存相同或略低。”

GlobalFoundries在最近的一篇论文中披露,它已经在40mbit阵列中演示了STT-MRAM技术。该技术具有较低的误码率和10年的数据保存,在125摄氏度,延长寿命约107循环。

基于这些数据,嵌入式MRAM甚至适用于更严格的应用。“嵌入式闪存将出现在汽车领域,”他说。“但在某些应用中,甚至在汽车领域,eMRAM都可以接管。”

在另一个应用程序示例中,MCU可以包含嵌入式STT-MRAM和SRAM。MRAM将取代嵌入式闪存来存储代码。

嵌入式STT-MRAM还可以承担一些基于sram的缓存功能,从而节省空间和成本。他说:“你无法摆脱SRAM,但你可能会减少飞机上的SRAM数量。”“SRAM和eMRAM协同工作。”

接下来是什么?
在开发STT-MRAM的同时,该行业也在研发未来的MRAM技术。一项被称为自旋轨道扭矩(SOT) MRAM的技术正在开发中,以取代基于sram的缓存。

Everspin的LoPresti说:“有一些证据表明,它们具有一些优势,比如开关电流更低,能够保留数据,并以更高的速度运行。”“但它们还处于发育阶段的早期。”

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4评论

memister 说:

MRAM的支持似乎“参差不齐”,因为三星和GlobalFoundries只支持MRAM与SOI,而台积电和联电也支持ReRAM。因此,它看起来仍然是一个受欢迎的选择,但不是一个行业信号。

GlobalFoundries在最近的一篇论文中披露,它已经在40mbit阵列中演示了STT-MRAM技术。该技术具有较低的误码率,在125摄氏度下可保持10年的数据,并可延长寿命至107个周期。”
我相信这里一定是打错了,是10^7个循环吗?107个循环的续航能力很可怜,可能比QLC NAND还差。

memister 说:

是的,应该是1000万次循环。但是与“经典的”MRAM相比,这个规范仍然很有冲淡。竞争的替代nvm可以做得更好。

说:

我记得很多年前,MRAM只是一个梦想的存储器,但现在他们实际上能够生产它们?
很有趣。想象一下,如果他们能以低成本生产非常高密度的MRAM,因为他们有一天会大规模生产。

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