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下一代記憶體eMRAM蓄勢待發
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Globalfoundries在2017年VLSI-TSA研討會上發表論文,介紹如何解決eMRAM面臨的挑戰,使其更廣泛地適用於汽車MCU和SoC應用。

繼幾家代工廠公開宣佈計畫在今年年底和2018年之前投產磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory;MRAM)後,最近一家代工廠描述了如何通過MRAM為嵌入式應用大幅提升資料保存的能力。

在最近於日本舉行的“2017年國際超大積體電路(VLSI)技術、系統和應用研討會”(VLSI-TSA)上,Globalfoundries在發表研究論文時討論了Everspin Technologies隨嵌入式MRAM (eMRAM)轉向22nm制程節點的進展。

Globalfoundries嵌入式記憶體副總裁Dave Eggleston表示,文中強調的重點突破是eMRAM可在攝氏260度下經由回流焊保存資料、持續十多年維持攝氏125度,以及在攝氏125度具有卓越讀/寫耐用性的能力。這將使eMRAM能夠用於通用微控制器(MCU)和汽車SoC。他說:“磁性層一直缺乏熱穩定度。因此,如果資料保存的問題得以解決,就能開啟更廣泛的市場。”

Eggleston表示,雖然MRAM在先前的技術節點展現了非揮發性、高可靠性以及可製造性,但在微縮至2x nm節點以及相容嵌入式記憶體的後段制程(BEOL)溫度時開始面臨挑戰。如文中所述,磁穿隧接面(magnetic tunnel junction;MTJ)堆疊和整合可在攝氏400度、60分鐘的MTJ圖案化熱預算時最佳化,並相容于CMOS BEOL制程。

Eggleston表示,三家主要的代工廠都推出了採用該技術的產品,客戶並選擇了Globalfoundries的制程開發套件(PDK)進行設計。主要的晶圓設備製造商從幾年前開始投入這個領域,因為他們認為它具有充份的商業潛力,因此該工具可用於MTJ的沉積與蝕刻。Eggleston說:“他們已經與像我們這樣的大型晶圓廠以及像Everspin等小型公司聯手,共同投資與開發產品。”

同時,MCU客戶開始認真地研究如何利用MRAM強化其架構。Eggleston說:“他們實現了更快的寫入速度,也具有更高的耐用性。”這讓他們能在以往可能使用靜態隨機存取記憶體(SRAM)的應用開始使用嵌入式MRAM。他並指出,以電路的簡單性和製造成本來看,2x nm節點正是該技術的甜蜜點。
 
Globalfoundries的MTJ堆疊和整合已在攝氏400度、60分鐘MTJ圖案化熱預算時最佳化,並相容于CMOS BEOL制程。

eMRAM的市場機會和其他新興與現有的記憶體技術並沒有太大的不同:新的大量市場包括移動性、聯網、資料中心、物聯網(IoT)以及汽車等。Eggleston指出,對於Globalfoundries來說,物聯網與汽車市場更重要。“我們曾經說過這兩大市場在很大程度上是相同的,但作為一家代工廠,我們在汽車領取得了更大的成長動能。”

嵌入式快閃記憶體(eFlash)一直是目前普遍使用的嵌入式記憶體,但因應市場需求存在多種新興的記憶體選擇。除了eMRAM以外,還有相變記憶體(PCM)、嵌入式電阻RAM(eRRAM)、碳納米管(CNT)和鐵電場效電晶體(FeFET)等。Eggleston指出,無論是哪一種選擇,都必須在資料保存、效率與速度方面權衡。CNT和FeFET均展現發展潛力,但還不夠成熟,而PCM則適用於特定應用,而無法廣泛用於嵌入式應用。

Eggleston說:“MRAM和RRAM具有類似的功能,二者都是後段校準的記憶體,因而能更易於落實於邏輯制程中。”可用的制程技術包括需要大型晶片、FD-SOI或FinFET的制程。他並表示,eFlash可內建於晶片之中,但如果要建置於各種不同的技術中將更具挑戰性。

Eggleston說,RRAM的堆疊更簡單,因為在電極之間所需的材料較少。他說:“而且它並不需要像MRAM一樣的設備投資。MRAM由於堆疊較複雜,確實需要一些資本設備投資。”然而,他指出,RRAM無法提供滿足更廣泛市場所要求的資料保存、速度以及耐用度等能力。

Eggleston說,MRAM較RRAM勝出之處在於其多功能性,因為它的材料組成可在電極之間加以調整。“你可以為其進行調整,使其具有更好的資料保存能力,或是支援更快的寫入速度與耐用性。”他並補充說,這種可調整的能力讓Globalfoundries能在先進節點跨足以往採用eFlash的領域,也可以調整其速度,使其得以作為非揮發性快取,用於伺服器處理器與儲存控制器中。
 
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