有四家主要的代工廠計劃在今年或明年以嵌入式內(nèi)存解決方案的形式提供 MRAM，為這項下一代內(nèi)存技術(shù)設(shè)置了最終將變革市場格局的舞臺。

GlobalFoundries、三星、臺積電和聯(lián)電計劃開始提供自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻 RAM(spin-transfer torque magnetoresistive RAM，簡稱 ST-MRAM 或 STT-MRAM)作為 NOR 閃存的替代或 NOR 閃存之外的另一種選擇，也許在今年年底就要開始施行。這代表著內(nèi)存市場的一次巨大轉(zhuǎn)向，因為到目前為止僅有 Everspin 在為各種應(yīng)用提供 MRAM 產(chǎn)品，其中包括替代電池供電的 SRAM、寫緩存(write-cache)等等。

STT-MRAM 的下一個大機會是嵌入式內(nèi)存 IP 市場。傳統(tǒng)的嵌入式內(nèi)存 NOR 閃存在從 40nm 向 28nm 及以后節(jié)點遷移時正遇到各種各樣的問題。所以這些代工廠對 STT-MRAM 的支持會讓這項技術(shù)成為先進節(jié)點上對傳統(tǒng)技術(shù)的事實上的替代技術(shù)。

STT-MRAM 使用電子自旋的磁性來提供芯片的非易失性。結(jié)果上看，它既有 SRAM 的速度，也有閃存的非易失性。可能甚至更重要的是它還具有近乎無限的耐久性。

“嵌入式閃存將繼續(xù)是嚴酷環(huán)境中的數(shù)據(jù)存留之王，尤其是對于汽車和安全應(yīng)用。”GlobalFoundries 嵌入式內(nèi)存副總裁 Dave Eggleston 說，“那是嵌入式閃存還將繼續(xù)長壽的領(lǐng)域。但它的擴展性不是很好。隨著你下降到 28nm 或更小的節(jié)點，嵌入式閃存實際上就成了一個成本高昂的選擇。”

所以行業(yè)需要一種新的解決方案，而 STT-MRAM 也恰好為 20 幾納米及以后節(jié)點的嵌入式內(nèi)存應(yīng)用做好了準備。“在用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)、消費電子和移動設(shè)備的 MCU 和 SoC 上，嵌入式 STT-MRAM 有很大的機會替代嵌入式閃存。”Web-Feet Research 首席執(zhí)行官 Alan Niebel，“首先補充然后替代嵌入式 DRAM 和 SRAM 也是 MRAM 的一大機會，因為 MRAM 能為處理器增加持久性的能力。”

但是，STT-MRAM 能否實現(xiàn)人們期待已久的完全替代 DRAM 的愿景?這還有待觀察。這可能永遠不會發(fā)生。不管怎樣，MRAM 可能最終會成長為一個大市場，也可能只是一種利基的解決方案;究竟會怎樣取決于幾個因素。

在樂觀的一面，很快就將有不止一家供應(yīng)商和一系列應(yīng)用可以使用 STT-MRAM 了。此外，主要代工廠進軍 STT-MRAM 領(lǐng)域的舉動很可能將會助力這種技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟和成本下降。

但這種技術(shù)也面臨著一些難題，因為并非所有代工客戶都需要 22nm 及以后節(jié)點的芯片。此外，STT-MRAM 是一種相對較新的技術(shù)，客戶還需要一些時間才能將其整合進來。另外也還有各種生產(chǎn)制造方面的難題需要解決。

下一代內(nèi)存是什么?

自 1990 年代以來，MRAM 就一直是人們研發(fā)的幾種下一代內(nèi)存技術(shù)類型之一。這些都是能提供無線耐久性的非易失性技術(shù)。和閃存一樣，它們可以在系統(tǒng)電源關(guān)閉之后保留數(shù)據(jù)。相反，DRAM 是易失性的，在電源關(guān)閉后會丟失數(shù)據(jù)，盡管其中的信息會在之前遷移到存儲設(shè)備中。

除了 MRAM 之外，其它下一代內(nèi)存技術(shù)包括碳納米管 RAM、鐵電 RAM(FRAM)、相變 RAM 和電阻 RAM(ReRAM)。

碳納米管 RAM 使用納米管在器件中形成電阻狀態(tài)。而 FRAM 使用鐵電電容器(ferroelectric capacitor)來存儲數(shù)據(jù)。來自英特爾和美光的 3D XPoint 技術(shù)就是下一代相變內(nèi)存的一種。另一種技術(shù) ReRAM 則基于電阻元件構(gòu)成的電子開關(guān)。

盡管這些技術(shù)很有希望，但其中很多技術(shù)所需的開發(fā)時間超過了預(yù)期。聯(lián)電(UMC)嵌入式非易失性內(nèi)存助理副總裁 Yau Kae Sheu 說：“大部分這些全新的內(nèi)存技術(shù)都已經(jīng)研發(fā)了相當(dāng)長時間了，但和傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)競爭時，它們還是在成本和可擴展性上捉襟見肘。”

很顯然，DRAM、閃存和 SRAM 等傳統(tǒng)內(nèi)存仍然是市場上的主力技術(shù)。在當(dāng)今系統(tǒng)中的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)中，SRAM 在處理器中被用作實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存取的緩存;DRAM 是下一層，用作主內(nèi)存。而磁盤驅(qū)動器和基于 NAND 的固態(tài)存儲驅(qū)動器(SSD)則用于存儲。

當(dāng)今的內(nèi)存市場正在蓬勃發(fā)展，尤其是對于 3D NAND。Tokyo Electron Ltd.(TEL)總裁兼首席執(zhí)行官 Toshiki Kawai 在最近一場演講中說：“推動力來自數(shù)據(jù)中心對 SSD 的需求。”

這也助長了對晶圓廠設(shè)備(WFE)的需求。Kawai 說：“受對下一代 3D NAND 和先進邏輯的投資推動，2017 年 WFE 資本性支出預(yù)計將同比增長 10% 以上。”

與此同時，幾種下一代內(nèi)存類型也開始迎來發(fā)展勢頭。目前，3D XPoint 和 STT-MRAM 可能發(fā)展勢頭最好，而碳納米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 尚待羽翼豐滿。

這些技術(shù)中大部分甚至全部都很可能找到某種程度的應(yīng)用空間。并沒有任何一種單一的技術(shù)能夠滿足所有需求。Coventor 首席技術(shù)官 David Fried 說：“現(xiàn)在有ReRAM、PCM、3D XPoint 和 STT-MRAM，哪種技術(shù)會是贏家?它們都可能在特定的應(yīng)用中找到自己的家園。”

比如說 MRAM 就已經(jīng)找到了自己的市場位置。在傳統(tǒng)內(nèi)存中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲。而 MRAM 則使用磁隧道結(jié)(MTJ)內(nèi)存單元作為存儲元件。Everspin 總裁兼首席執(zhí)行官 Phillip LoPresti 說：“我們使用磁性或操控電子自旋來控制位(bit)的電阻，這讓我們可以編程 1 和 0。”

Everspin 的第一款 MRAM 器件稱為 toggle MRAM，面向基于 SRAM的電池備份市場。然而今天內(nèi)存行業(yè)重點關(guān)注的下一代技術(shù)名叫 perpendicular STT-MRAM 或 ST-MRAM。

Applied Materials 的 Silicon Systems Group 內(nèi)存和材料總經(jīng)理 Er-Xuan Ping 說：“STT-MRAM 使用直接穿過該單元的電流。它使用自旋極化的電流，從而可以基本上迫使該薄膜中的磁化強度發(fā)生改變。”

toggle MRAM 在這一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但它們也有一些擴展方面的局限性。“STT-MRAM 有一些優(yōu)勢。其中之一是擴展性。”Ping 說，“相對于傳統(tǒng) MRAM，STT-MRAM 也有其它優(yōu)勢，因為你讓電流直接穿過了單元。使用這種能量來開關(guān)磁化要更加高效。比磁場驅(qū)動的 MRAM 要更加高效很多。”

高通工程總監(jiān) Seung Kang 在最近的一場演講中列出了 STT-MRAM 的一些關(guān)鍵特性：

與DRAM 和 SRAM 具有相同特性的非易失性;

基本上無限的耐久性;

低電壓就能實現(xiàn)高速度;

對 CMOS 友好。

　　 但 STT-MRAM 也面臨著以下難題：

復(fù)雜的薄膜堆疊方式;

較窄的傳感區(qū)間

回流焊接滯留

但 Everspin 已經(jīng)銷售 MRAM 一段時間了，其中包括一款 256 Mb 的 perpendicular STT-MRAM。這款產(chǎn)品基于其代工合作伙伴 GlobalFoundries 的 40nm 工藝。Everspin 正在抽樣生產(chǎn)基于 28nm 的 1 Gb 部件。

作為與 Everspin 的授權(quán)交易的一部分，GlobalFoundries 正在為其即將到來的 22nm FD-SOI 平臺開發(fā)嵌入式 STT-MRAM。這家代工廠還計劃之后繼續(xù)為其 12nm FD-SOI 工藝以及 14nm 和 7nm finFET 工藝開發(fā)嵌入式 MRAM。

GlobalFoundries 很快就會有其它伙伴了。三星、臺積電和聯(lián)電都各自在為自己的嵌入式客戶開發(fā)這項技術(shù)。三星有自己的 IP，其它幾家則在于各種伙伴合作。

從 Everspin 的立場來看，這家公司可能很歡迎競爭。“從我們的角度看，這都很有好處。”Everspin 的 LoPresti 說，“這證明了這個產(chǎn)業(yè)。這也將加速實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟。如果(代工廠)要推出 MRAM，那就意味著它們會向生產(chǎn)工具的公司要求能實現(xiàn)高產(chǎn)量和投資回報率的生產(chǎn)工具。”

除了 Everspin 和代工廠，英特爾、美光和東芝-SK海力士組合都有在 MRAM 方面的研發(fā)投入。同時，Avalanche、Crocus 和 Spin Transfer Technologies 等幾家創(chuàng)業(yè)公司也在開發(fā)這項技術(shù)。

生產(chǎn)STT-MRAM

對大多數(shù)公司來說，生產(chǎn) MRAM 說說就好，實際做起來卻更難。MRAM 涉及到開發(fā)新的材料、集成方法和設(shè)備。

它的工藝流程也與傳統(tǒng)內(nèi)存的不一樣。一般而言，MRAM 工藝是從傳統(tǒng)晶圓廠開始的，代工供應(yīng)商會在這里生產(chǎn)帶有電路的標準 CMOS 晶圓，這就是所謂的生產(chǎn)線前道工序(FEOL)。其中的電路可以集成一種晶體管方案或一個微控制器(MCU)這樣的器件。

然后，該器件和/或一個基板會被送到被稱為生產(chǎn)線后道工序(BEOL)的另一處晶圓廠設(shè)施。在這里，金屬層和微細的銅導(dǎo)線會被加工裝配到該器件上。

STT-MRAM 是在晶圓廠的 BEOL 工序中生產(chǎn)制造的。實際上，STT-MRAM 內(nèi)存層構(gòu)建于芯片中一個金屬層的觸點或通孔之上，比如 M4 或其它金屬層。

DRAM 和閃存則相反，是在內(nèi)存晶圓廠的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中，傳統(tǒng)內(nèi)存加工時的溫度更高。

而對于 MRAM，因為磁性薄膜很薄，無法承受更高的溫度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，這時候的溫度要低得多。Applied 的 Ping 說：“磁性薄膜非常薄，你不能給它提供非常高的溫度。”

生產(chǎn)制造 STT-MRAM 是一個精細的過程。如果步驟不準確，就會出問題。短缺的情況常常發(fā)生，就會影響產(chǎn)量。解決缺陷問題也很具挑戰(zhàn)性。

首先，STT-MRAM 在以下部分需要三個掩模步驟：底部電極、頂部電極和 MTJ 單元。第一步是沉積一層薄層材料，這會成為底部電極。然后就會遇到第一個難點——形成薄膜的堆疊。這種薄膜堆疊可能有 20 到 30 層。方法就是高精度地一層一層地沉積這些薄膜。

Ping 說：“這是一種非常薄的膜，厚度只有幾埃。你要將它們堆疊起來以實現(xiàn)磁化作用的最大化。”

在某些情況下，STT-MRAM 是在一個使用各種工藝模組的封閉的集群工具中制造的。這些模組包含用于物理氣相沉積(PVD)、退火和離子束蝕刻的專門腔室。

如果這種薄膜堆疊暴露在空氣中，就會出現(xiàn)問題。“你需要在同一臺機器中蝕刻和封裝它。”Lam Research 副總裁 Thorsten Lill 說，“你不能將晶圓暴露在空氣中。”

STT-MRAM 包含一個 MTJ 內(nèi)存單元。MTJ 使用了基于氧化鎂(MgO)的薄介電隧道勢壘薄膜，它被夾在兩層基于硼鐵化鈷(CoFeB)化合物的鐵磁層之間。在工作時，電流會流過僅有大約 10 埃厚度的 MgO 薄膜。據(jù) Applied Materials 的數(shù)據(jù)，CoFeB 層的厚度為 10 到 30 埃。

在晶圓廠中，這種堆疊可以進行調(diào)節(jié)。Lam 的 Lill 說：“關(guān)于 MRAM 的有趣之處在于根據(jù)你構(gòu)建這種堆疊的方法的差異，你可以得到更低或更高溫度的器件。你可以讓它像閃存或 SRAM。所有這些都可以通過調(diào)整這種堆疊辦到。”

然后，對該薄膜堆疊執(zhí)行退火，之后又是另一大難題——蝕刻。要得到預(yù)期大小和尺寸的 MTJ 堆疊，要在表面沉積一種抗蝕劑，然后再蝕刻。

STT-MRAM 沒有使用的傳統(tǒng)的反應(yīng)離子束蝕刻(RIE)工具，因為這會破壞堆疊。行業(yè)實際使用了離子束蝕刻(IBE)，即使用帶電離子束蝕刻這些薄膜。

使用 IBE 時，離子束會撞擊薄膜表面。“這是濺射方法。”Lill 說，“這被稱為化學(xué)增強離子束蝕刻(chemically-enhanced ion beam etching)。第一代是純惰性氣體氬氙濺射。”

但 IBE 也面臨著一些挑戰(zhàn)。Applied 的 Ping 說：“離子束蝕刻器對間距有限制。當(dāng)你的間距更小時，會出現(xiàn)陰影效應(yīng)。這項技術(shù)還仍在開發(fā)之中。”

然后，在完成 IBE 之后，該器件就會被封裝起來。在每一步，這個器件都要經(jīng)歷多種計量步驟。KLA-Tencor 客戶參與高級總監(jiān) Neeraj Khanna 表示：“我們預(yù)計這些新架構(gòu)將會推動發(fā)展對計量和檢測的新要求。”

殺手級應(yīng)用?

有了晶圓廠方面的進展，STT-MRAM 也正在多個市場獲得發(fā)展勢頭。“現(xiàn)在有兩個用例。第一個是替代嵌入式閃存。另一個是會替代嵌入式 SRAM，這個用例更難一點。”Lam 的 Lill 說，“看起來行業(yè)的共識是 STT-MRAM 是一種很好的嵌入式解決方案。然后，相變和 ReRAM 可以成為單獨的器件。ReRAM 也可以做嵌入式。”

多年以來，行業(yè)一直在探索將 STT-MRAM 發(fā)展成 DRAM 的一種替代技術(shù)。但目前這方面的努力仍處于研發(fā)階段。

不管應(yīng)用領(lǐng)域如何，要讓這項技術(shù)更加主流，半導(dǎo)體行業(yè)還面臨著一些難題。比如在汽車應(yīng)用方面，STT-MRAM 仍然需要證明自己能夠滿足高溫環(huán)境中嚴格的可靠性和數(shù)據(jù)存留要求。

“設(shè)計和開發(fā)基本的 STT-MRAM 內(nèi)存技術(shù)就用去了許多年時間，” Web-Feet 的 Niebel 說，“開發(fā)一種新的 NVM 技術(shù)并將其投入生產(chǎn)需要至少 7 年時間，然后還需要另外 5 到 7 年才能將其整合進客戶的產(chǎn)品周期中。”

因為這部分原因，Everspin 的 STT-MRAM 的目標定位是用于 SSD 和 RAID 系統(tǒng)中的寫緩存應(yīng)用。傳統(tǒng)上，SSD 使用基于 DRAM 的緩沖區(qū)來幫助系統(tǒng)加速。但如果系統(tǒng)失去電源，數(shù)據(jù)就將面臨風(fēng)險。所以，SSD 還要集成電容器，但這會增加系統(tǒng)的成本。

為了解決這個問題，可以在 SSD 的寫緩沖區(qū)使用 STT-MRAM。Everspin 的 LoPresti 說：“一旦數(shù)據(jù)寫入到了我們的部件中，因為它們是非易失的，所以你就無需再連接超級電容或電池。”

嵌入式內(nèi)存市場也在持續(xù)升溫，尤其是 MCU 方面。一般來說，MCU 會在同一塊芯片上集成多種組件，比如 CPU、SRAM、嵌入式內(nèi)存和外設(shè)。NOR 閃存等嵌入式內(nèi)存則被用于存儲代碼或其它功能。

MCU 正在從 40nm 節(jié)點向 28nm 節(jié)點遷移，NOR 也遵循同樣的遷移路線。但在 20 幾納米節(jié)點，NOR 會開始遇到寫入速度慢和耐久性的問題。它的成本也會更高，因為需要更多掩模步驟。

28nm 節(jié)點之后，NOR 難以擴展。聯(lián)電的 Sheu 說：“所以人們在尋找替代方案。這就是這段時間嵌入式內(nèi)存得到很大關(guān)注的原因。”

使用新的內(nèi)存類型替代 NOR 并不是一項簡單任務(wù)。Sheu 說：“這些參與競爭的全新內(nèi)存類型要得到更廣泛的采用，需要滿足性能、可靠性、密度和成本這些關(guān)鍵要求。”

那這都會怎樣發(fā)展呢?“我們繼續(xù)預(yù)期 28nm 將會是一個長時間的節(jié)點。”他說，“28nm 節(jié)點已有的浮動?xùn)艠O技術(shù)已經(jīng)證明在這一領(lǐng)域效果非常好。性能、耐久性和成本上的優(yōu)勢讓傳統(tǒng)的 eNVM 成為了一種多用途解決方案。隨著技術(shù)的成熟，它有望主導(dǎo)多種應(yīng)用領(lǐng)域，比如未來幾年的物聯(lián)網(wǎng)、汽車和移動設(shè)備領(lǐng)域。”

其他人同意這個觀點。 GlobalFoundries 的 Eggleston 說：“嵌入式閃存還將繼續(xù)存在很長時間。對于那些不想改變的保守客戶，他們將繼續(xù)要求代工廠在擴展到更低的幾何尺寸時提供嵌入式閃存。”

但是目前 STT-MRAM 似乎已經(jīng)為 20 幾納米節(jié)點的嵌入式市場做好了準備。其它的內(nèi)存類型還卡在研發(fā)階段。“對于嵌入式，我們看到了對速度的需求。”Eggleston 說，“MRAM 可以提供很好的耐久性和很高的寫入速度，寫入能耗也很低。MRAM 所帶來的成本增長與嵌入式閃存一樣或還稍微少一點。”

在最近一篇論文中，GlobalFoundries 透露已經(jīng)在一種 40 Mb 陣列中演示了 STT-MRAM 技術(shù)。這項技術(shù)有很低的誤碼率和 125 攝氏度下 10 年的數(shù)據(jù)存留時間，并且耐久性擴展到了大約 107 個周期。

根據(jù)這個數(shù)據(jù)，嵌入式 MRAM 即使對更嚴格的應(yīng)用來說也堪稱完美。他說：“嵌入式閃存將繼續(xù)用于汽車應(yīng)用，但在一些應(yīng)用中，甚至是汽車應(yīng)用中，eMRAM 可以替代。”

在另一個應(yīng)用案例中，MCU 可以集成嵌入式 STT-MRAM 和 SRAM。MRAM 可以在代碼存儲上替代嵌入式閃存。

嵌入式 STT-MRAM 也可以承擔(dān)一些基于 SRAM 的緩存功能，從而節(jié)省空間和成本。他說：“你不能擺脫 SRAM，但你可以減少板上 SRAM 的量。SRAM 和 eMRAM 可以一起工作。”

未來如何?

隨著 STT-MRAM 的不斷發(fā)展，行業(yè)也在研發(fā)更具未來感的 MRAM 技術(shù)。其中一種技術(shù)是自旋軌道轉(zhuǎn)矩(spin orbit torque/SOT)MRAM，有望替代基于 SRAM 的緩存。

“有證據(jù)證明它們有更低的開關(guān)電流、更好的數(shù)據(jù)保存能力和更快的速度等優(yōu)勢，當(dāng)然，現(xiàn)在這個研究還處于一個相當(dāng)早的一個階段。”Everspin的LoPresti說。