传统存储技术遭遇困难,STT-MRAM如何取得突破?

2019-03-27 10:28:20 来源:半导体行业观察
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由于存储器制程比较简单,存储单元均可快速被复制,可以帮助先进制程工艺快速提升良率。所以,在过去很长的一段时间内,存储器都扮演着肯为先进制程工艺成为“吃螃蟹的人”。但是,伴随着先进制程工艺进入到65nm以后,相当一部分先进制程工艺的厂商已经积累了足够的经验,可以跳跃过存储器的验证,直接将先进制程用于逻辑产品。

 

与此同时,伴随着AI、物联网等领域的兴起,使得大数据的应用越来越广泛,这些新兴领域在不断催促着存储器追赶先进制程的脚步。目前,各大存储器大厂都在升级20nm制程,其中,DRAM、闪存和 SRAM 等传统内存仍然是市场上的主力技术。

 

在这个过程中,传统存储技术遇到了不少困难。其中,DRAM采用持续微缩的单元设计需要引入多重图案化技术,并最终在批量制造中需要采用EUV光刻技术,而我们都知道EUV技术现在还没有能够大规模应用。同样,平面 NAND也曾面临微缩的限制,最终采取垂直方向上的转变,也就是现在市场上非常流行的3D NAND技术。

 

传统存储技术面临着挑战,也催生了新技术的出现。在这种情况下,MRAM出现了。MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度,而且基本上可以无限次地重复写入。也就是说,MRAM能够将存储器的密度与SRAM的速度相结合,同时具有非易失性和高功效。

 

MRAM技术始于1984年,当时Albert Fert和PeterGrünberg发现了GMR效应。 在20世纪80年代中期,支持者认为MRAM最终将超越竞争技术,成为占主导地位甚至是通用的存储器。1996年,自旋转移力矩被提了出来,这个发现使磁隧道结或自旋阀能够被自旋极化电流修改。基于这一点,摩托罗拉开始了他们的MRAM研究。一年后,摩托罗拉开发出一种256Kb的MRAM测试芯片。这使得MRAM技术开始走向产品化,随后在2002年,摩托罗拉被授予 Toggle专利。这也是第一代MRAM,即Toggle MRAM。但是,由于第一代MRAM在先进的工艺节点下耗能太高,使得MRAM的发展遇到瓶颈。

 

2004年,摩托罗拉将其半导体业务独立出来,成立了飞思卡尔半导体。2006年7月,飞思卡尔开始销售世界上第一款商用MRAM芯片。这些芯片的容量低至4Mbit,价格定在25美元。与此同时,MRAM已经开始受到了其他厂商的关注,英飞凌、台积电、东芝、瑞萨等等企业也开始了MRAM方面的研究。MRAM技术也得以向第二代发展,目前,主流的研究主要是TAS-MRAM和STT-MRAM

 

其中之一,第二代MRAM器件使用自旋极化电流来切换电子自旋,也就是STT-MRAM。2005年,瑞萨科技与Grandis合作开发了65nm的STT-MRAM。与MRAM相比,STT-MRAM器件更快,更高效且更容易缩小。与传统内存技术相比,STT-MRAM器件不仅能兼顾MRAM的性能,还能够满足低电流的同时并降低成本。

 

基于以上优势,STT-MRAM被视为是可以挑战DRAM和SRAM的高性能存储器,并有可能成为领先的存储技术。尤其是在40nm以下工艺节点上,NOR开始暴露出很多问题,STT-MRAM被寄予厚望。市场认为,STT-MRAM不仅在40nm节点下可以被利用,甚至可以扩展到10nm以下应用。更值得注意的是,STT-MRAM可基于现有的CMOS制造技术和工艺发展,在技术上进行接力的难度相对较小,从而,可以直接挑战闪存的低成本。

 

理想很丰满,现实很骨感。随着技术规模的缩小,STT-MRAM遭受严重的工艺变化和热波动,这极大地降低了STT-MRAM的性能和稳定性。对于大多数商业应用来说,STT-MRAM的道路依旧充满艰难险阻。

 

从结构上看,STT-MRAM存储单元的核心是一个MTJ,也就是STT-MRAM是通过MTJ来存储数据。通常情况下,MTJ是由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成,它是是通过自旋电流实现信息写入的。写入信息时需要较大的电流产生磁场使 MTJ 自由层磁矩发生反转。随着存储单元的尺寸减小,需要更大的自由层磁矩反转磁场,因此也需要更大的电流。但是,大电流不仅增加了功耗,也使得变换速度减慢,限制了存储单元写入信息的速度。

 

在CSTIC 2019上,就有专家提及,目前STT-MRAM的挑战主要存在于需要更大的写入电流、MTJ的缩放,以及如何降低误码率,这三者之间的平衡。

 

 

挑战同时代表着机遇,STT-MRAM对各大厂商的吸引力不减。2008年,飞思卡尔将其MRAM业务独立出来,成立了EverSpin Technologies。2014年,Everspin与Global Foundries合作,在300毫米晶圆上生产面内和垂直MTJ ST-MRAM,采用40纳米和28纳米节点工艺。2017年,Everspin号称是唯一出货商用MRAM产品的公司,由此也可以看出Everspin在此方面的优势。2018年,Everspin还是与Global Foundries合作,推出了全球首个28 nm 1 Gb STT-MRAM客户样品。但我们都知道,Global Foundries已经停止了7nm以下先进制程的投入,着力14/12纳米FinFET。而市场上对 STT-MRAM的预期却没有止步于12nm。接下来,EverSpin将会选择与哪家代工厂合作?

 

再次回到十年前,海力士半导体和Grandis的合作伙伴关系也始于2008年,他们之间的合作意在探索STT-MRAM技术的商业开发。

 

而在上文当中,我们曾叙述,瑞萨也曾与Grandis展开STT-MRAM相关合作,而海力士的合作伙伴同样也是选择了Grandis。Grandis是否能够凭借新兴技术在存储领域获得一席之地?据悉,Grandis成立于2002年,发明了第一个基于磁隧道结的自旋转移扭矩薄膜结构,并迅速成为STT-RAM领域的领导者。2011年,Grandis被三星电子有限公司收购,并合并到三星的内存业务中。三星也因此开始踏足STT-MRAM。2018年,三星电子的晶圆代工论坛期间,公司重申了其在2018年开始生产STT-MRAM芯片的目标。三星表示真正的STT-MRAM大规模生产将始于2019年。

 

除了Grandis,IBM也是STT-MRAM的先驱,与英飞凌和三星合作。2016年,IBM和三星研究人员就展示了11纳米级STT-MRAM。2018年,IBM展示了他们的FlashCore NVMe SSD,它提供了19 TB的闪存存储,并使用Everspin的5-256Mb STT-MRAM芯片进行写入缓存和日志记录。

 

除上文提到的Global Foundries和三星外,根据CSTIC 2019期间,Yole的调查报告显示,包括台积电、英特尔、联电在内的顶级晶圆厂都准备好了将28/22nm嵌入式STT-MRAM用于微控制器。

 

 

2019年2月,在英国国际固态电路会议上,英特尔透露STT-MRAM技术已准备好进行批量生产。据EE Times报道,该公司预计将使用22nm FinFET工艺来制造存储芯片。

 

2000年,台积电就和台工研院合作投入MRAM等次世代内存研发。2011年,高通公司在VLSI电路研讨会上也展示了采用台积电 45纳米LP技术制造的1 Mbit嵌入式STT-MRAM 。由于成本的原因,台积电放弃过MRAM。但是,在2017年中,台积电重返内存市场瞄准MRAM和RRAM。据DIGITIMES预测,2019年台积电的STT-MRAM极有可能量产出货。

 

同样,2018年,联电和Avalanche Technology宣布,他们已经联合开发和生产28nm MRAM,以取代嵌入式闪存。联电还将通过Avalanche Technology Inc.的许可向其他公司提供此技术。

 

在大陆方面,2016年兆易创新斥资500万美元入股Everspin。2017年北京航空航天大学与中国科学院微电子研究所联合成功制备国内首个80nm STT-MRAM器件。微电子所集成电路先导工艺研发中心研究员赵超与北京航空航天大学教授赵巍胜的联合团队在STT-MRAM关键工艺技术研究上实现了重要突破,在国内首次采用可兼容CMOS工艺成功制备出直径80nm的磁隧道结,器件性能良好,其中器件核心参数包括隧穿磁阻效应达到92%。

 

上海磁宇是国内第一家MRAM产品研发制造公司,拥有国内唯一的完整PSTT-MRAM材料薄膜制造设备和测试设备,及在建中12吋专用芯片制造的中试线,将用于第三和四代技术的MRAM记忆芯片的开发及量产。其团队成员来自于 Everspin 和 TDK,且同时投入独立式(standalone)和嵌入式(embedded)两种技术和市场策略。

 

浙江海康驰拓专注 MRAM 存储技术发展,团队来自高通(Qualcomm)、西部数据等众多半导体国际大厂,目前基于芯片设计和工艺设计两块投入研发,可提供 STT-MRAM 技术的不同设备。

 

而从上面的情况来看,各大晶圆厂纷纷在2019年布局STT-MRAM量产计划,并开始逐渐走向28nm以下的产品。但大陆方面还在40nm以上的STT-MRAM挣扎,并没有太大的优势。STT-MRAM的出现,使得国际厂商将目光从NOR上转移。同样,在前不久结束的semicon 2019存储器论坛上,也有一种声音出现:NOR技术想要全面取代STT-MRAM还需要一段时间,这个时间差,为大陆方面发展NOR提供了机会。

 
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