存储市场群雄逐鹿,MRAM 腾飞的窗口在哪里?

2019-08-05 13:01:05 来源: 半导体行业观察
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作为一种“新”的NVM技术,MRAM拥有接近SRAM,具备快闪存储器的非挥发性,同时在容量密度及使用寿命不输DRAM,能耗更是远远低于前者,这让他们从诞生以来,一直受到行业的广泛的关注。根据Technavio的分析师预测,从2018年到2022年之间,全球MRAM市场将以44.63%的年复合成长率成长。


但正如知乎网友“张书嘉.Morris”的一个评论所说:


“其实MRAM这种过渡技术,IP层很薄,从大厂的角度看不出有什么超级利润,需求也很离散,customer ramping会非常耗力,并不像是大厂争夺的赛道。当然除非Apple先领头,但Jobs不在了,这种变革很难做出。目前Intel/Samsung等几家大厂都是拿半报废设备(折旧残值设备)出来玩,都没有一个行业标准,实验室报告是讲讲罢了。”


然而,日前应用材料的一个宣布,让我们又看到了MRAM腾飞的一个窗口。


群雄逐鹿的市场

据Digitimes资料库显示,磁性记忆体(MRAM)最早可以上推到1955年问世的磁芯记忆体(Magnetic Core Memory),虽然结构不同,但资料读写的机制基本上与现在的磁性记忆体是一样的。


1988年时,欧洲科学家Albert Fert与Peter Grunberg发现了薄膜结构中存在巨磁阻效应(Giant Magnetoresistive Effect),为现代的MRAM发展奠定基础。之后摩托罗拉(Motorola)的半导体部门、IBM、英飞凌(Infineon)、Cypress Semiconductors、瑞萨(Renesas)等业者,以及目前的DRAM三巨头三星电子(Samsung Electronics)、SK海力士(SK Hynix)与美光(Micron)均曾陆续投入研发MRAM的行列。


发展到当下,市场上则形成了Everspin这样的独立MRAM供应商和GlobalFoundries 、台积电、三星、联电等晶圆代工厂商投身嵌入式 (embedded) MRAM 的格局。其中Everspin是从飞思卡尔半导体公司分离出来的一家独立公司,是全球第一家量产MRAM的供货商。


今年六月,Everspin 宣布,已经开始试生产最新的 1Gb STT-MRAM(自旋转移力矩磁阻)非易失性随机存取器。新 MRAM 器件采用格罗方德(GlobalFoundries)的 28nm 工艺制造,与当前的 40nm 256Mb 器件相比,其在密度和容量方面有了重大的进步。而从性能参数上看,Everspin表示,新器件提供了 8 / 16-bit 的 DDR4-1333 MT/s(667MHz)接口,但与较旧的基于 DDR3 的 MRAM 组件一样,时序上的差异使得其难以成为 DRAM(动态随机存取器)的直接替代品。


在代工厂方面,格芯科技(Globalfoundries)已自去年起供应采用其22FDX 22-nm FD-SOI制程的嵌入式MRAM。据介绍,基于22FDX平台,提供比现在的NVM产品快1000倍的写入速度和高1000倍的耐用性。在维持企业领先的eMRAM存储单元大小的同时,22FDX®具备了可以在260°C(在工业级别的可操作温度)回流焊接下维持数据的能力。


三星也宣布已在一条基于28纳米FD-SOI工艺的生产线上,开始大规模生产和商业运输嵌入式MRAM(eMRAM)解决方案。三星方面,这一方案结构简单,可以通过在当前基于逻辑流程的设计中添加最少的层数来实现,减轻了三星进行新设计的负担,并降低了生产成本。三星方面表示,公司已成功将技术从实验室转移到工厂,并将在不久的将来商用化。


英特尔也基于其22 FFL工艺,推出了MRAM 解决方案,芯片巨头指出,英特尔嵌入式MRAM技术可在200摄氏度下实现长达10 年的记忆期,并可在超过100万个开关周期内实现持久性。MRAM省电的特性,意味着英特尔嵌入式MRAM将很有可能先用于移动设备。英特尔也强调这项技术处于“生产准备就绪”状态;


至于台积电,在他们今年六月的技术大会上,台积电表示,公司还拥有比eflash还快三倍写速度的22nm MRAM工艺,这个工艺早在2018年下半年就开始风险试产。而台积电董事长刘德音在去年下半年表示,公司或将收购存储工厂,相信MRAM会是他们的一个目标。


报道指出,联电方面也基于其28nm / 22nm技术的MRAM方面的平台,这或会在2019年下半年推出。


虽然市场一片看好,尤其是eMRAM,如果能被嵌入到MCU等设备中,将会推动整个产业的变革。但MRAM依然面临挑战,尤其在量产方面。


量产有了新助攻

虽然MRAM拥有巨大的优势,但在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(磁性隧道结单元)的缩放,以及如何降低误码率这三者之间的平衡等问题。


而根据semiengineering之前的报道,制造MTJ单元需要沉积许多金属和绝缘层,这首先是使用沉积系统在底部电极上形成这些材料的多层堆叠,然后在每一层都必须精确控制和测量。但同时我们应该认识到,制造这些器件要用到的钴 - 铁和钴 - 铁 - 硼磁性层不易与等离子气体形成挥发性化合物,所以难以蚀刻,那就意味着MRAM器件的蚀刻步骤是也极具挑战性。

 


(a)MTJ堆栈。(b)侧视图。(c)顶视图


为了解决这些问题,在2019年7月,应用材料推出了新型 Endura平台。据他们介绍,这是公司有史以来最精密的芯片制造系统,由9 个特制的工艺反应腔组成,这些反应腔全部集成在高度真空的无尘环境下。


他们进一步指出,这是业内首个用于大规模量产的 300 毫米 MRAM 系统,其中每个反应腔最多能够沉积五种不同材料。MRAM 存储器需要对至少 30 层的材料进行精确沉积,其中有些层的厚度比人类的发丝还要薄 500,000 倍。即使仅有原子直径几分之一的工艺变化,也会极大地影响器件的性能和可靠性。Clover MRAM PVD 平台引入了机载计量技术,能够以亚埃级灵敏度对所产生的 MRAM 层的厚度进行测量与监控,从而确保实现原子级的均匀度并规避接触外界环境的风险。


Spin Memory 首席执行官 Tom Sparkman 表示,应用材料公司推出的量产制造系统对行业的生态系统起到了巨大的推动作用,我们很高兴能与应用材料公司合作打造 MRAM 解决方案并加速其工业应用。


虽然应用材料解决了一方面的问题。但正如semiengineering所说,MRAM在生产过程中还需要面对测试等问题。


“对于MRAM来说,最大的未知是磁干扰,”Intuitive Cognition Consulting的Eggleston在接受semiengineering采访的时候说到,“对于eFlash或非易失性SRAM,我们从不关心这一点。现在,可靠性测试是在芯片上完成的。”在这种情况下,您可以在处于断电状态时查看是否可以中断数据保留,或者在写入操作期间可能会出现这种情况。如果您正在编写芯片,这是一个棘手的问题,因为你想要进行足够强硬的测试,但你也希望它与现实世界相关。
与此同时,现在新一代的MRAM还在面临速度的一些限制。

 

新的变局正在形成

回看MRAM的发展。


1984年,当时Albert Fert和PeterGrünberg发现了GMR效应,这是MARM研究的真正开始。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。


到了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。


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。尤其是STT-MRAM,因为拥有比DRAM更快,更高效且更容易缩小的优势。同时还能能兼顾MRAM的性能,还能够满足低电流的同时并降低成本。这被视为是可以挑战DRAM和SRAM的高性能存储器,并有可能成为领先的存储技术。


然而在IMEC最近的一个研究,SS-MRAM面临新的挑战。根据他们的披露,当前的STT-MRAM在速度方面遇到了一些障碍。为了使其足够快以与SRAM竞争,数据保留严重一种称为SOT(spin-orbit transfe)的MRAM的产品正在开发中。

 

STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)


SOT MRAM既然使用了不同于STT MRAM的翻转机制,在元件结构上也自然不同。STT MRAM的读、写电流均直接垂直通过MTJ;而SOT MRAM的读取电流如旧,但写入电流则依靠与自由层平行邻接的材料中流过的电流,带动二者界面上的自旋轨道作用所产生的转矩,用以翻转自由层的磁矩。


据相关报道,如果拓朴绝缘体如Bi2Se3能被应用于SOT MRAM,那么其写入速度可以快20倍,单元密度可以大10倍,成为存储的新明星。但毫无疑问的是,这种新技术同样会带来新挑战:


一方面,因为SOT MRAM读自读、写自写,因此需要额外的端点。这在设计上是个麻烦,而且增加单元面积;另一个问题是自旋轨道转矩的翻转机制只能将自由层的磁矩翻转至其垂直于原来方向,最后稳定的方向还得有方法调整、指定。最想当然的方式是外加磁场,但这是设计元件的人最不愿意看到的事。


总而言之,对于新的存储技术,还有着很多的不确定性!

 
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