四大晶圆厂抢单MRAM，新存储时代开启？

来源：本文由电姬翻译自semiengineering，作者Mark Lapedus ，谢谢。 

有四家主要的代工厂计划在今年或明年以嵌入式内存解决方案的形式提供 MRAM，为这项下一代内存技术设置了最终将变革市场格局的舞台。

GlobalFoundries、三星、台积电和联电计划开始提供自旋转移力矩磁阻 RAM（spin-transfer torque magnetoresistive RAM，简称 ST-MRAM 或 STT-MRAM）作为 NOR 闪存的替代或 NOR 闪存之外的另一种选择，也许在今年年底就要开始施行。这代表着内存市场的一次巨大转向，因为到目前为止仅有 Everspin 在为各种应用提供 MRAM 产品，其中包括替代电池供电的 SRAM、写缓存（write-cache）等等。

STT-MRAM 的下一个大机会是嵌入式内存 IP 市场。传统的嵌入式内存 NOR 闪存在从 40nm 向 28nm 及以后节点迁移时正遇到各种各样的问题。所以这些代工厂对 STT-MRAM 的支持会让这项技术成为先进节点上对传统技术的事实上的替代技术。

STT-MRAM 使用电子自旋的磁性来提供芯片的非易失性。结果上看，它既有 SRAM 的速度，也有闪存的非易失性。可能甚至更重要的是它还具有近乎无限的耐久性。

“嵌入式闪存将继续是严酷环境中的数据存留之王，尤其是对于汽车和安全应用。”GlobalFoundries 嵌入式内存副总裁 Dave Eggleston 说，“那是嵌入式闪存还将继续长寿的领域。但它的扩展性不是很好。随着你下降到 28nm 或更小的节点，嵌入式闪存实际上就成了一个成本高昂的选择。”

所以行业需要一种新的解决方案，而 STT-MRAM 也恰好为 20 几纳米及以后节点的嵌入式内存应用做好了准备。“在用于汽车、物联网、消费电子和移动设备的 MCU 和 SoC 上，嵌入式 STT-MRAM 有很大的机会替代嵌入式闪存。”Web-Feet Research 首席执行官 Alan Niebel，“首先补充然后替代嵌入式 DRAM 和 SRAM 也是 MRAM 的一大机会，因为 MRAM 能为处理器增加持久性的能力。”

但是，STT-MRAM 能否实现人们期待已久的完全替代 DRAM 的愿景？这还有待观察。这可能永远不会发生。不管怎样，MRAM 可能最终会成长为一个大市场，也可能只是一种利基的解决方案；究竟会怎样取决于几个因素。

在乐观的一面，很快就将有不止一家供应商和一系列应用可以使用 STT-MRAM 了。此外，主要代工厂进军 STT-MRAM 领域的举动很可能将会助力这种技术实现规模经济和成本下降。

但这种技术也面临着一些难题，因为并非所有代工客户都需要 22nm 及以后节点的芯片。此外，STT-MRAM 是一种相对较新的技术，客户还需要一些时间才能将其整合进来。另外也还有各种生产制造方面的难题需要解决。

自 1990 年代以来，MRAM 就一直是人们研发的几种下一代内存技术类型之一。这些都是能提供无线耐久性的非易失性技术。和闪存一样，它们可以在系统电源关闭之后保留数据。相反，DRAM 是易失性的，在电源关闭后会丢失数据，尽管其中的信息会在之前迁移到存储设备中。

除了 MRAM 之外，其它下一代内存技术包括碳纳米管 RAM、铁电 RAM（FRAM）、相变 RAM 和电阻 RAM（ReRAM）。

碳纳米管 RAM 使用纳米管在器件中形成电阻状态。而 FRAM 使用铁电电容器（ferroelectric capacitor）来存储数据。来自英特尔和美光的 3D XPoint 技术就是下一代相变内存的一种。另一种技术 ReRAM 则基于电阻元件构成的电子开关。

尽管这些技术很有希望，但其中很多技术所需的开发时间超过了预期。联电（UMC）嵌入式非易失性内存助理副总裁 Yau Kae Sheu 说：“大部分这些全新的内存技术都已经研发了相当长时间了，但和传统内存技术竞争时，它们还是在成本和可扩展性上捉襟见肘。”

很显然，DRAM、闪存和 SRAM 等传统内存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 在处理器中被用作实现高速数据存取的缓存；DRAM 是下一层，用作主内存。而磁盘驱动器和基于 NAND 的固态存储驱动器（SSD）则用于存储。

当今的内存市场正在蓬勃发展，尤其是对于 3D NAND。Tokyo Electron Ltd.（TEL）总裁兼首席执行官 Toshiki Kawai 在最近一场演讲中说：“推动力来自数据中心对 SSD 的需求。”

这也助长了对晶圆厂设备（WFE）的需求。Kawai 说：“受对下一代 3D NAND 和先进逻辑的投资推动，2017 年 WFE 资本性支出预计将同比增长 10% 以上。”

与此同时，几种下一代内存类型也开始迎来发展势头。目前，3D XPoint 和 STT-MRAM 可能发展势头最好，而碳纳米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 尚待羽翼丰满。

这些技术中大部分甚至全部都很可能找到某种程度的应用空间。并没有任何一种单一的技术能够满足所有需求。Coventor 首席技术官 David Fried 说：“现在有ReRAM、PCM、3D XPoint 和 STT-MRAM，哪种技术会是赢家？它们都可能在特定的应用中找到自己的家园。”

比如说 MRAM 就已经找到了自己的市场位置。在传统内存中，数据以电荷的形式存储。而 MRAM 则使用磁隧道结（MTJ）内存单元作为存储元件。Everspin 总裁兼首席执行官 Phillip LoPresti 说：“我们使用磁性或操控电子自旋来控制位（bit）的电阻，这让我们可以编程 1 和 0。”

Everspin 的第一款 MRAM 器件称为 toggle MRAM，面向基于 SRAM的电池备份市场。然而今天内存行业重点关注的下一代技术名叫 perpendicular STT-MRAM 或 ST-MRAM。

图 1：ST-MRAM  技术，来自 Everspin

Applied Materials 的 Silicon Systems Group 内存和材料总经理 Er-Xuan Ping 说：“STT-MRAM 使用直接穿过该单元的电流。它使用自旋极化的电流，从而可以基本上迫使该薄膜中的磁化强度发生改变。”

toggle MRAM 在这一领域得到了广泛的应用，但它们也有一些扩展方面的局限性。“STT-MRAM 有一些优势。其中之一是扩展性。”Ping 说，“相对于传统 MRAM，STT-MRAM 也有其它优势，因为你让电流直接穿过了单元。使用这种能量来开关磁化要更加高效。比磁场驱动的 MRAM 要更加高效很多。”

高通工程总监 Seung Kang 在最近的一场演讲中列出了 STT-MRAM 的一些关键特性：

• 与DRAM 和 SRAM 具有相同特性的非易失性；

• 基本上无限的耐久性；

• 低电压就能实现高速度；

• 对 CMOS 友好。

图 2：1T-1MTJ pSTT-MRAM  架构，来自 GlobalFoundries

但 STT-MRAM 也面临着以下难题：

• 复杂的薄膜堆叠方式；

• 较窄的传感区间

• 回流焊接滞留

但 Everspin 已经销售 MRAM 一段时间了，其中包括一款 256 Mb 的 perpendicular STT-MRAM。这款产品基于其代工合作伙伴 GlobalFoundries 的 40nm 工艺。Everspin 正在抽样生产基于 28nm 的 1 Gb 部件。

作为与 Everspin 的授权交易的一部分，GlobalFoundries 正在为其即将到来的 22nm FD-SOI 平台开发嵌入式 STT-MRAM。这家代工厂还计划之后继续为其 12nm FD-SOI 工艺以及 14nm 和 7nm finFET 工艺开发嵌入式 MRAM。

GlobalFoundries 很快就会有其它伙伴了。三星、台积电和联电都各自在为自己的嵌入式客户开发这项技术。三星有自己的 IP，其它几家则在于各种伙伴合作。

从 Everspin 的立场来看，这家公司可能很欢迎竞争。“从我们的角度看，这都很有好处。”Everspin 的 LoPresti 说，“这证明了这个产业。这也将加速实现生产设备的规模经济。如果（代工厂）要推出 MRAM，那就意味着它们会向生产工具的公司要求能实现高产量和投资回报率的生产工具。”

除了 Everspin 和代工厂，英特尔、美光和东芝-SK海力士组合都有在 MRAM 方面的研发投入。同时，Avalanche、Crocus 和 Spin Transfer Technologies 等几家创业公司也在开发这项技术。

对大多数公司来说，生产 MRAM 说说就好，实际做起来却更难。MRAM 涉及到开发新的材料、集成方法和设备。

它的工艺流程也与传统内存的不一样。一般而言，MRAM 工艺是从传统晶圆厂开始的，代工供应商会在这里生产带有电路的标准 CMOS 晶圆，这就是所谓的生产线前道工序（FEOL）。其中的电路可以集成一种晶体管方案或一个微控制器（MCU）这样的器件。

然后，该器件和/或一个基板会被送到被称为生产线后道工序（BEOL）的另一处晶圆厂设施。在这里，金属层和微细的铜导线会被加工装配到该器件上。

STT-MRAM 是在晶圆厂的 BEOL 工序中生产制造的。实际上，STT-MRAM 内存层构建于芯片中一个金属层的触点或通孔之上，比如 M4 或其它金属层。

图 3：嵌入式 MRAM，来自 Everspin

DRAM 和闪存则相反，是在内存晶圆厂的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中，传统内存加工时的温度更高。

而对于 MRAM，因为磁性薄膜很薄，无法承受更高的温度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，这时候的温度要低得多。Applied 的 Ping 说：“磁性薄膜非常薄，你不能给它提供非常高的温度。”

生产制造 STT-MRAM 是一个精细的过程。如果步骤不准确，就会出问题。短缺的情况常常发生，就会影响产量。解决缺陷问题也很具挑战性。

首先，STT-MRAM 在以下部分需要三个掩模步骤：底部电极、顶部电极和 MTJ 单元。第一步是沉积一层薄层材料，这会成为底部电极。然后就会遇到第一个难点——形成薄膜的堆叠。这种薄膜堆叠可能有 20 到 30 层。方法就是高精度地一层一层地沉积这些薄膜。

Ping 说：“这是一种非常薄的膜，厚度只有几埃。你要将它们堆叠起来以实现磁化作用的最大化。”

在某些情况下，STT-MRAM 是在一个使用各种工艺模组的封闭的集群工具中制造的。这些模组包含用于物理气相沉积（PVD）、退火和离子束蚀刻的专门腔室。

如果这种薄膜堆叠暴露在空气中，就会出现问题。“你需要在同一台机器中蚀刻和封装它。”Lam Research 副总裁 Thorsten Lill 说，“你不能将晶圆暴露在空气中。”

STT-MRAM 包含一个 MTJ 内存单元。MTJ 使用了基于氧化镁（MgO）的薄介电隧道势垒薄膜，它被夹在两层基于硼铁化钴（CoFeB）化合物的铁磁层之间。在工作时，电流会流过仅有大约 10 埃厚度的 MgO 薄膜。据 Applied Materials 的数据，CoFeB 层的厚度为 10 到 30 埃。

图 4：pMTJ 薄膜堆叠细节。(b) 和 (c) 展示了 pMTJ 阵列的横截面和顶视图，来自Applied Materials

在晶圆厂中，这种堆叠可以进行调节。Lam 的 Lill 说：“关于 MRAM 的有趣之处在于根据你构建这种堆叠的方法的差异，你可以得到更低或更高温度的器件。你可以让它像闪存或 SRAM。所有这些都可以通过调整这种堆叠办到。”

然后，对该薄膜堆叠执行退火，之后又是另一大难题——蚀刻。要得到预期大小和尺寸的 MTJ 堆叠，要在表面沉积一种抗蚀剂，然后再蚀刻。

STT-MRAM 没有使用的传统的反应离子束蚀刻（RIE）工具，因为这会破坏堆叠。行业实际使用了离子束蚀刻（IBE），即使用带电离子束蚀刻这些薄膜。

使用 IBE 时，离子束会撞击薄膜表面。“这是溅射方法。”Lill 说，“这被称为化学增强离子束蚀刻（chemically-enhanced ion beam etching）。第一代是纯惰性气体氩氙溅射。”

但 IBE 也面临着一些挑战。Applied 的 Ping 说：“离子束蚀刻器对间距有限制。当你的间距更小时，会出现阴影效应。这项技术还仍在开发之中。”

然后，在完成 IBE 之后，该器件就会被封装起来。在每一步，这个器件都要经历多种计量步骤。KLA-Tencor 客户参与高级总监 Neeraj Khanna 表示：“我们预计这些新架构将会推动发展对计量和检测的新要求。”

有了晶圆厂方面的进展，STT-MRAM 也正在多个市场获得发展势头。“现在有两个用例。第一个是替代嵌入式闪存。另一个是会替代嵌入式 SRAM，这个用例更难一点。”Lam 的 Lill 说，“看起来行业的共识是 STT-MRAM 是一种很好的嵌入式解决方案。然后，相变和 ReRAM 可以成为单独的器件。ReRAM 也可以做嵌入式。”

多年以来，行业一直在探索将 STT-MRAM 发展成 DRAM 的一种替代技术。但目前这方面的努力仍处于研发阶段。

不管应用领域如何，要让这项技术更加主流，半导体行业还面临着一些难题。比如在汽车应用方面，STT-MRAM 仍然需要证明自己能够满足高温环境中严格的可靠性和数据存留要求。

“设计和开发基本的 STT-MRAM 内存技术就用去了许多年时间，” Web-Feet 的 Niebel 说，“开发一种新的 NVM 技术并将其投入生产需要至少 7 年时间，然后还需要另外 5 到 7 年才能将其整合进客户的产品周期中。”

因为这部分原因，Everspin 的 STT-MRAM 的目标定位是用于 SSD 和 RAID 系统中的写缓存应用。传统上，SSD 使用基于 DRAM 的缓冲区来帮助系统加速。但如果系统失去电源，数据就将面临风险。所以，SSD 还要集成电容器，但这会增加系统的成本。

为了解决这个问题，可以在 SSD 的写缓冲区使用 STT-MRAM。Everspin 的 LoPresti 说：“一旦数据写入到了我们的部件中，因为它们是非易失的，所以你就无需再连接超级电容或电池。”

嵌入式内存市场也在持续升温，尤其是 MCU 方面。一般来说，MCU 会在同一块芯片上集成多种组件，比如 CPU、SRAM、嵌入式内存和外设。NOR 闪存等嵌入式内存则被用于存储代码或其它功能。

MCU 正在从 40nm 节点向 28nm 节点迁移，NOR 也遵循同样的迁移路线。但在 20 几纳米节点，NOR 会开始遇到写入速度慢和耐久性的问题。它的成本也会更高，因为需要更多掩模步骤。

28nm 节点之后，NOR 难以扩展。联电的 Sheu 说：“所以人们在寻找替代方案。这就是这段时间嵌入式内存得到很大关注的原因。”

使用新的内存类型替代 NOR 并不是一项简单任务。Sheu 说：“这些参与竞争的全新内存类型要得到更广泛的采用，需要满足性能、可靠性、密度和成本这些关键要求。”

那这都会怎样发展呢？“我们继续预期 28nm 将会是一个长时间的节点。”他说，“28nm 节点已有的浮动栅极技术已经证明在这一领域效果非常好。性能、耐久性和成本上的优势让传统的 eNVM 成为了一种多用途解决方案。随着技术的成熟，它有望主导多种应用领域，比如未来几年的物联网、汽车和移动设备领域。”

其他人同意这个观点。 GlobalFoundries 的 Eggleston 说：“嵌入式闪存还将继续存在很长时间。对于那些不想改变的保守客户，他们将继续要求代工厂在扩展到更低的几何尺寸时提供嵌入式闪存。”

但是目前 STT-MRAM 似乎已经为 20 几纳米节点的嵌入式市场做好了准备。其它的内存类型还卡在研发阶段。“对于嵌入式，我们看到了对速度的需求。”Eggleston 说，“MRAM 可以提供很好的耐久性和很高的写入速度，写入能耗也很低。MRAM 所带来的成本增长与嵌入式闪存一样或还稍微少一点。”

在最近一篇论文中，GlobalFoundries 透露已经在一种 40 Mb 阵列中演示了 STT-MRAM 技术。这项技术有很低的误码率和 125 摄氏度下 10 年的数据存留时间，并且耐久性扩展到了大约 107 个周期。

根据这个数据，嵌入式 MRAM 即使对更严格的应用来说也堪称完美。他说：“嵌入式闪存将继续用于汽车应用，但在一些应用中，甚至是汽车应用中，eMRAM 可以替代。”

在另一个应用案例中，MCU 可以集成嵌入式 STT-MRAM 和 SRAM。MRAM 可以在代码存储上替代嵌入式闪存。

嵌入式 STT-MRAM 也可以承担一些基于 SRAM 的缓存功能，从而节省空间和成本。他说：“你不能摆脱 SRAM，但你可以减少板上 SRAM 的量。SRAM 和 eMRAM 可以一起工作。”

随着 STT-MRAM 的不断发展，行业也在研发更具未来感的 MRAM 技术。其中一种技术是自旋轨道转矩（spin orbit torque/SOT）MRAM，有望替代基于 SRAM 的缓存。

“有证据证明它们有更低的开关电流、更好的数据保存能力和更快的速度等优势，当然，现在这个研究还处于一个相当早的一个阶段。”Everspin的LoPresti说。

原文链接：https://semiengineering.com/four-foundries-back-mram

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