进入 10nm 工艺制程之后,摩尔定律似乎失效了,处理器性能翻一倍所需时间由原来的两年延至三年,半导体芯片产业发展遇到了技术瓶颈。而以 MRAM 为代表的自旋芯片却在快速发展,在后摩尔时代,自旋芯片有可能突破微电子器件的限制,成为主流芯片吗?

 

自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高灵敏度、防辐射等优点,可将信息获取、传递、处理、存储等环节有机地结合在一起,具有巨大的市场前景。据介绍,传感器芯片、磁电信号耦合芯片、磁性逻辑及磁随机存储芯片等自旋芯片市场规模有望超过 1000 亿美元。

 

 

面对巨大的市场空间,全球掀起了以 MRAM 为代表的自旋芯片研发热潮。三星、SK 海力士、美光、格罗方德、Freescale、IBM、英飞凌、TDK、东芝、索尼、瑞萨等众多海外高科技企业纷纷涌入,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际等国内企业也在积极布局,开展相关研究及产业化工作。 

 

其中一些企业已经取得了产业化成果。三星 2019 年开始量产 28nm 嵌入式 MRAM,未来两三年内将进入更大规模量产。不甘落后的 SK 海力士、英特尔、格芯也掌握了 22nm 嵌入式 MRAM 的量产工艺。MRAM 正成为存储芯片巨头争夺的新高地。

 

中国企业在自旋芯片领域也有一些成绩。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。2018 年,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等筹建自旋芯片的研发、生产线。2020 年,台积电在 ISSCC 2020 上呈现了基于 ULL 22nm CMOS 工艺的 32Mb 嵌入式 STT-MRAM。长江存储、长鑫存储、兆易创新自旋芯片处于前期研发阶段,没有进入量产。赛迪智库集成电路研究所黄阳棋博士表示,中国自旋芯片产业与国外差距较大,目前尚无商用自旋芯片出货,全球 MRAM 专利申请前 50 均为国外机构或个人。

 

自旋芯片中的 MRAM(磁随机存储器)共经历了 MRAM、STT-MRAM、MeRAM 等三个发展阶段。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院院长赵巍胜表示,目前,MRAM、STT-MRAM 已经产业化,其中 MRAM 在航天航空领域具有广泛的应用,STT-MRAM 也实现量产,但是仍临着材料、器件制备、电路设计及系统级整合等方面的挑战。

 

STT-MRAM 器件制备过程中具有诸多技术难点。鲁汶仪器一员工表示,STT-MRAM 可兼容现有的 CMOS 制造技术和工艺,但是其磁性材料蚀刻时,钴铁硼薄膜等磁性材料刻蚀时不易挥发,可能沉积在晶圆上,产生黏物,导致 STT-MRAM 短路。蚀刻后 ST-MRAM 两层绝缘的氧化镁可能会与空气中的水氧、二氧化碳反应使 ST-MRAM 改性。

 

STT-MRAM 芯片设计同样是一道坎。STT-MRAM 芯片设计时需要在存储单元的热稳定性和翻转电流阈值两者之间进行权衡,让 STT-MRAM 存储单元的电流密度降低,并保持数据存储的热稳定性。

 

STT-MRAM 芯片还需要平衡电流、MTJ 以及误码率等三者的关系。从结构上看,STT-MRAM 存储单元的核心是一个 MTJ,其中 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,并通过自旋电流实现信息写入。随着存储单元尺寸的减小,信息写入就需要更大的电流。更大的电流将增加功耗,限制写入信息的速度。

 

此外,目前,STT-MRAM 良率不高,产能不大,导致单个 STT-MRAM 器件价格非常高,难以进入消费级应用市场。

 

7 月 16 日,在第三届国际前沿科技创新大会上,中国科学院院士、南京大学教授都有为受邀作报告,他认为:“我们正经历着以纳米科技为主导的第四次产业革命,现在重视纳米科技的国家很可能成为本世纪的先进国家。”会后,重庆日报记者对都有为进行了专访。

 

都院士认为,在芯片的应用上,我们将逐渐从半导体芯片向自旋芯片转型。

 

实际上,与电荷一样,自旋也是电子的本征特性,随着自旋电子学这一学科的发展,其在很多领域中崭露头角。由于自旋芯片比半导体芯片具有更多优点,比如非易失性、抗辐射性、高运算速度等,在 2008 年日本卫星上就用自旋芯片全面替代半导体芯片,2013 年欧洲空客 A350 飞机就开始采用自旋芯片控制系统,2018 年韩国三星宣布将自旋芯片用于手机。原则上,自旋芯片可取代各类存储器的应用,成为未来的通用存储器。

 

“不过,目前国内只有两家公司准备将自旋芯片产业化,可以说与国外还有很大差距。”他建议,要加快发展自旋芯片这种核心高端芯片,最好能建立政产学研相结合的产业研究平台,提供强大的人才与技术支撑,才能在竞争激烈的市场中立于不败之地,才能真正推动产业发展。