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四大晶圓廠搶單MRAM,新存儲時代開啟?
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有四家主要的代工廠計畫在今年或明年以嵌入式記憶體解決方案的形式提供 MRAM,為這項下一代記憶體技術設置了最終將變革市場格局的舞臺。

GlobalFoundries、三星、台積電和聯電計畫開始提供自旋轉移力矩磁阻 RAM(spin-transfer torque magnetoresistive RAM,簡稱 ST-MRAM 或 STT-MRAM)作為 NOR 快閃記憶體的替代或 NOR 快閃記憶體之外的另一種選擇,也許在今年年底就要開始施行。這代表著記憶體市場的一次巨大轉向,因為到目前為止僅有 Everspin 在為各種應用提供 MRAM 產品,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記憶體 IP 市場。傳統的嵌入式記憶體 NOR 快閃記憶體在從 40nm 向 28nm 及以後節點遷移時正遇到各種各樣的問題。所以這些代工廠對 STT-MRAM 的支援會讓這項技術成為先進節點上對傳統技術的事實上的替代技術。

STT-MRAM 使用電子自旋的磁性來提供晶片的非易失性。結果上看,它既有 SRAM 的速度,也有快閃記憶體的非易失性。可能甚至更重要的是它還具有近乎無限的耐久性。

“嵌入式快閃記憶體將繼續是嚴酷環境中的資料存留之王,尤其是對於汽車和安全應用。”GlobalFoundries 嵌入式記憶體副總裁 Dave Eggleston 說,“那是嵌入式快閃記憶體還將繼續長壽的領域。但它的擴展性不是很好。隨著你下降到 28nm 或更小的節點,嵌入式快閃記憶體實際上就成了一個成本高昂的選擇。”

所以行業需要一種新的解決方案,而 STT-MRAM 也恰好為 20 幾納米及以後節點的嵌入式記憶體應用做好了準備。“在用於汽車、物聯網、消費電子和移動設備的 MCU 和 SoC 上,嵌入式 STT-MRAM 有很大的機會替代嵌入式快閃記憶體。”Web-Feet Research 首席執行官 Alan Niebel,“首先補充然後替代嵌入式 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 能否實現人們期待已久的完全替代 DRAM 的願景?這還有待觀察。這可能永遠不會發生。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;究竟會怎樣取決於幾個因素。

在樂觀的一面,很快就將有不止一家供應商和一系列應用可以使用 STT-MRAM 了。此外,主要代工廠進軍 STT-MRAM 領域的舉動很可能將會助力這種技術實現規模經濟和成本下降。

但這種技術也面臨著一些難題,因為並非所有代工客戶都需要 22nm 及以後節點的晶片。此外,STT-MRAM 是一種相對較新的技術,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製造方面的難題需要解決。

下一代記憶體是什麼?
自 1990 年代以來,MRAM 就一直是人們研發的幾種下一代記憶體技術類型之一。這些都是能提供無線耐久性的非易失性技術。和快閃記憶體一樣,它們可以在系統電源關閉之後保留資料。相反,DRAM 是易失性的,在電源關閉後會丟失資料,儘管其中的資訊會在之前遷移到存放裝置中。

除了 MRAM 之外,其它下一代記憶體技術包括碳納米管 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。而 FRAM 使用鐵電電容器(ferroelectric capacitor)來存儲資料。來自英特爾和美光的 3D XPoint 技術就是下一代相變記憶體的一種。另一種技術 ReRAM 則基於電阻元件構成的電子開關。

儘管這些技術很有希望,但其中很多技術所需的開發時間超過了預期。聯電(UMC)嵌入式非易失性記憶體助理副總裁 Yau Kae Sheu 說:“大部分這些全新的記憶體技術都已經研發了相當長時間了,但和傳統記憶體技術競爭時,它們還是在成本和可擴展性上捉襟見肘。”

很顯然,DRAM、快閃記憶體和 SRAM 等傳統記憶體仍然是市場上的主力技術。在當今系統中的記憶體層次結構中,SRAM 在處理器中被用作實現高速資料存取的緩存;DRAM 是下一層,用作主記憶體。而磁碟機和基於 NAND 的固態存儲驅動器(SSD)則用於存儲。

當今的記憶體市場正在蓬勃發展,尤其是對於 3D NAND。Tokyo Electron Ltd.(TEL)總裁兼首席執行官 Toshiki Kawai 在最近一場演講中說:“推動力來自資料中心對 SSD 的需求。”

這也助長了對晶圓廠設備(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 資本性支出預計將同比增長 10% 以上。”

與此同時,幾種下一代記憶體類型也開始迎來發展勢頭。目前,3D XPoint 和 STT-MRAM 可能發展勢頭最好,而碳納米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 尚待羽翼豐滿。

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

比如說 MRAM 就已經找到了自己的市場位置。在傳統記憶體中,資料以電荷的形式存儲。而 MRAM 則使用磁隧道結(MTJ)記憶體單元作為記憶元件。Everspin 總裁兼首席執行官 Phillip LoPresti 說:“我們使用磁性或操控電子自旋來控制位元(bit)的電阻,這讓我們可以程式設計 1 和 0。”

Everspin 的第一款 MRAM 器件稱為 toggle MRAM,面向基於 SRAM的電池備份市場。然而今天記憶體行業重點關注的下一代技術名叫 perpendicular STT-MRAM 或 ST-MRAM。
 
Applied Materials 的 Silicon Systems Group 記憶體和材料總經理 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生改變。”

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

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

與DRAM 和 SRAM 具有相同特性的非易失性;
基本上無限的耐久性;
低電壓就能實現高速度;
對 CMOS 友好。
 
但 STT-MRAM 也面臨著以下難題:
複雜的薄膜堆疊方式;
較窄的傳感區間
回流焊接滯留

但 Everspin 已經銷售 MRAM 一段時間了,其中包括一款 256 Mb 的 perpendicular STT-MRAM。這款產品基於其代工合作夥伴 GlobalFoundries 的 40nm 工藝。Everspin 正在抽樣生產基於 28nm 的 1 Gb 部件。
作為與 Everspin 的授權交易的一部分,GlobalFoundries 正在為其即將到來的 22nm FD-SOI 平臺開發嵌入式 STT-MRAM。這家代工廠還計畫之後繼續為其 12nm FD-SOI 工藝以及 14nm 和 7nm finFET 工藝開發嵌入式 MRAM。

GlobalFoundries 很快就會有其它夥伴了。三星、台積電和聯電都各自在為自己的嵌入式客戶開發這項技術。三星有自己的 IP,其它幾家則在於各種夥伴合作。

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,“這證明瞭這個產業。這也將加速實現生產設備的規模經濟。如果(代工廠)要推出 MRAM,那就意味著它們會向生產工具的公司要求能實現高產量和投資回報率的生產工具。”

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 方面的研發投入。同時,Avalanche、Crocus 和 Spin Transfer Technologies 等幾家創業公司也在開發這項技術。

生產STT-MRAM
對大多數公司來說,生產 MRAM 說說就好,實際做起來卻更難。MRAM 涉及到開發新的材料、集成方法和設備。

它的工藝流程也與傳統記憶體的不一樣。一般而言,MRAM 工藝是從傳統晶圓廠開始的,代工供應商會在這裡生產帶有電路的標準 CMOS 晶圓,這就是所謂的生產線前道工序(FEOL)。其中的電路可以集成一種電晶體方案或一個微控制器(MCU)這樣的器件。

然後,該器件和/或一個基板會被送到被稱為生產線後道工序(BEOL)的另一處晶圓廠設施。在這裡,金屬層和微細的銅導線會被加工裝配到該器件上。

STT-MRAM 是在晶圓廠的 BEOL 工序中生產製造的。實際上,STT-MRAM 記憶體層構建於晶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 和快閃記憶體則相反,是在記憶體晶圓廠的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中,傳統記憶體加工時的溫度更高。

而對於 MRAM,因為磁性薄膜很薄,無法承受更高的溫度,所以 MRAM 在 BEOL 工序製造,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。”

生產製造 STT-MRAM 是一個精細的過程。如果步驟不準確,就會出問題。短缺的情況常常發生,就會影響產量。解決缺陷問題也很具挑戰性。

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。然後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製造的。這些模組包含用於物理氣相沉積(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,就會出現問題。“你需要在同一台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 記憶體單元。MTJ 使用了基於氧化鎂(MgO)的薄介電隧道勢壘薄膜,它被夾在兩層基於硼鐵化鈷(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 Applied Materials 的數據,CoFeB 層的厚度為 10 到 30 埃。
 
在晶圓廠中,這種堆疊可以進行調節。Lam 的 Lill 說:“關於 MRAM 的有趣之處在於根據你構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。你可以讓它像快閃記憶體或 SRAM。所有這些都可以通過調整這種堆疊辦到。”

然後,對該薄膜堆疊執行退火,之後又是另一大難題——蝕刻。要得到預期大小和尺寸的 MTJ 堆疊,要在表面沉積一種抗蝕劑,然後再蝕刻。

STT-MRAM 沒有使用的傳統的反應離子束蝕刻(RIE)工具,因為這會破壞堆疊。行業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。Applied 的 Ping 說:“離子束蝕刻器對間距有限制。當你的間距更小時,會出現陰影效應。這項技術還仍在開發之中。”

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

殺手級應用?
有了晶圓廠方面的進展,STT-MRAM 也正在多個市場獲得發展勢頭。“現在有兩個用例。第一個是替代嵌入式快閃記憶體。另一個是會替代嵌入式 SRAM,這個用例更難一點。”Lam 的 Lill 說,“看起來行業的共識是 STT-MRAM 是一種很好的嵌入式解決方案。然後,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,行業一直在探索將 STT-MRAM 發展成 DRAM 的一種替代技術。但目前這方面的努力仍處於研發階段。

不管應用領域如何,要讓這項技術更加主流,半導體行業還面臨著一些難題。比如在汽車應用方面,STT-MRAM 仍然需要證明自己能夠滿足高溫環境中嚴格的可靠性和資料存留要求。

“設計和開發基本的 STT-MRAM 記憶體技術就用去了許多年時間,” Web-Feet 的 Niebel 說,“開發一種新的 NVM 技術並將其投入生產需要至少 7 年時間,然後還需要另外 5 到 7 年才能將其整合進客戶的產品週期中。”

因為這部分原因,Everspin 的 STT-MRAM 的目標定位是用於 SSD 和 RAID 系統中的寫緩存應用。傳統上,SSD 使用基於 DRAM 的緩衝區來説明系統加速。但如果系統失去電源,資料就將面臨風險。所以,SSD 還要集成電容器,但這會增加系統的成本。

為瞭解決這個問題,可以在 SSD 的寫緩衝區使用 STT-MRAM。Everspin 的 LoPresti 說:“一旦資料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。”

嵌入式記憶體市場也在持續升溫,尤其是 MCU 方面。一般來說,MCU 會在同一塊晶片上集成多種元件,比如 CPU、SRAM、嵌入式記憶體和外設。NOR 快閃記憶體等嵌入式記憶體則被用於存儲代碼或其它功能。
MCU 正在從 40nm 節點向 28nm 節點遷移,NOR 也遵循同樣的遷移路線。但在 20 幾納米節點,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 節點之後,NOR 難以擴展。聯電的 Sheu 說:“所以人們在尋找替代方案。這就是這段時間嵌入式記憶體得到很大關注的原因。”

使用新的記憶體類型替代 NOR 並不是一項簡單任務。Sheu 說:“這些參與競爭的全新記憶體類型要得到更廣泛的採用,需要滿足性能、可靠性、密度和成本這些關鍵要求。”

那這都會怎樣發展呢?“我們繼續預期 28nm 將會是一個長時間的節點。”他說,“28nm 節點已有的浮動柵極技術已經證明在這一領域效果非常好。性能、耐久性和成本上的優勢讓傳統的 eNVM 成為了一種多用途解決方案。隨著技術的成熟,它有望主導多種應用領域,比如未來幾年的物聯網、汽車和移動設備領域。”

其他人同意這個觀點。 GlobalFoundries 的 Eggleston 說:“嵌入式快閃記憶體還將繼續存在很長時間。對於那些不想改變的保守客戶,他們將繼續要求代工廠在擴展到更低的幾何尺寸時提供嵌入式快閃記憶體。”

但是目前 STT-MRAM 似乎已經為 20 幾納米節點的嵌入式市場做好了準備。其它的記憶體類型還卡在研發階段。“對於嵌入式,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快閃記憶體一樣或還稍微少一點。”

在最近一篇論文中,GlobalFoundries 透露已經在一種 40 Mb 陣列中演示了 STT-MRAM 技術。這項技術有很低的誤碼率和 125 攝氏度下 10 年的資料存留時間,並且耐久性擴展到了大約 107 個週期。

根據這個資料,嵌入式 MRAM 即使對更嚴格的應用來說也堪稱完美。他說:“嵌入式快閃記憶體將繼續用於汽車應用,但在一些應用中,甚至是汽車應用中,eMRAM 可以替代。”

在另一個應用案例中,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快閃記憶體。

嵌入式 STT-MRAM 也可以承擔一些基於 SRAM 的緩存功能,從而節省空間和成本。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 的不斷發展,行業也在研發更具未來感的 MRAM 技術。其中一種技術是自旋軌道轉矩(spin orbit torque/SOT)MRAM,有望替代基於 SRAM 的緩存。

“有證據證明它們有更低的開關電流、更好的資料保存能力和更快的速度等優勢,當然,現在這個研究還處於一個相當早的一個階段。”Everspin的LoPresti說。
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