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四个铸造额回MRAM

下一代嵌入式内存技术在闪存缩放问题之后升起。

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四个主要代工厂计划将MRAM作为嵌入式内存解决方案作为嵌入式内存解决方案,以便为此下一代内存技术成为最终可能被证明是最终可能被证明的阶段。

GlobalFoundries,三星,TSMC和UMC计划开始为旋转转印扭矩磁阻RAM(ST-MRAM或STT-MRAM)作为替代或更换,或者在今年晚些时候开始。这代表了市场的大班,因为直到现在只有everspin发货MRAM.对于各种应用,例如电池支持的SRAM替换,写入缓存等。

STT-MRAM的下一个重大机遇是嵌入式内存IP市场。NOR闪存,传统的嵌入式存储器,在从40nm到28nm甚至更远的发展过程中遇到了各种各样的问题。因此,在这些代工厂的支持下,STT-MRAM可以成为先进节点的一种事实上的替代技术。

STT-MRAM使用电子旋转的磁力在芯片中提供非挥发性。实际上,它结合了速度静态存储器和非波动性闪光。也许更重要的是,它几乎无限耐力。

嵌入式闪存副总裁Dave Eggleston表示:“在恶劣环境下,嵌入式闪存将继续是数据保存的冠军,特别是在汽车和安全应用中。globalfoundries。“那就是嵌入式闪光灯的位置。但它不会很好地缩放。当你下到28米或更低时,嵌入式闪光实际上是一个昂贵的选择。“

因此,行业需要一个新的解决方案,而STT-MRAM恰好已经为2xnm及以上的嵌入式内存应用做好了准备。Web-Feet Research首席执行官艾伦•尼贝尔(Alan Niebel)表示:“嵌入式STT-MRAM在取代汽车、物联网、消费者和移动设备的微处理器和soc中的嵌入式闪存方面有很好的机会。”“先补充后取代嵌入式DRAM和SRAM,对MRAM来说也是一个巨大的机会,它将为处理器增加持久性能力。”

然而,STT-MRAM能否实现人们期待已久的替代承诺仍有待观察德拉姆共。可能永远不会发生。无论如何,MRAM可能最终是一个大市场或利基解决方案,具体取决于几个因素。

在加方面,STT-MRAM将很快从一个以上的供应商和一系列应用程序做好准备。此外,主要代工厂进入STT-MRAM空间的举动可能会提高规模经济,并降低了技术的成本。

但仍存在一些挑战,而不是所有的铸造客户都需要筹码22nm及以后。此外,STT-MRAM是一种相对较新的技术,可能需要客户时间整合它。并且还有各种各样的制造挑战。

什么是下一代内存?

在自20世纪90年代以来的作品中,MRAM是几种下一代内存类型之一。这些都是非易失性提供无限耐力的技术。像Flash,当电源关闭在系统中时,它们会保留数据。相比之下,DRAM是易失性的,但是当电源关闭时,它会失去数据,尽管事先将信息转移到存储。

除MRAM之外,另一个下一代存储器还包括碳纳米管柱,铁电柱塞(FRAM),相变和电阻RAM(RERAM)。

碳纳米管RAMS使用纳米管在装置中形成电阻状态。同时,FRAMS使用铁电电容来存储数据。然后,来自Intel和Micron的3D XPoint技术是下一代相变存储器的示例。另一种技术,,基于电阻元件的电子切换。事实上,SMIC,TSMC和UMC正在与各种合作伙伴开发纪念日。

虽然这些技术很有前景,但许多技术的开发时间比之前预期的要长得多。“这些新型存储技术的研发已经进行了相当长一段时间,但它们继续在成本和可扩展性方面与传统存储技术竞争,”丘凯旭(Yau Kae Sheu)说,他是英特尔嵌入式非易失性存储助理副总裁

显然,传统的记忆-DRAM,Flash和SRAM - 仍然是市场上的工作主技术。在系统中的日志层次结构中,SRAM集成到处理器中,以便缓存以启用快速数据访问。然后,DRAM,层次结构中的下一层用于主内存。和磁盘驱动器和基于NAND的固态存储驱动器(SSD)用于存储。

今天,内存市场正在蓬勃发展,特别是3d nand.。“()驱动力是对数据中心的SSD的需求,”东京电子有限公司总裁兼首席执行官Toshiki Kawai(Tel)在最近的演示中表示。

它还推动了对晶片Fab设备(WFE)的需求。“2017年日历2017年粮食计划署证书预测(预计)同比增长超过10%,由下一代3D NAND和高级逻辑投资驱动,”Kawai说。

同时,几个下一代内存类型开始增加。目前,3D XPoint和STT-MRAM可以具有最大的势头,碳纳米管公羊,FRAM和RERAM在翅膀中等待。

大多数情况下,如果不是全部,这些技术可能会在某些时候找到套接字。没有一个单一的内存可以服务所有需求。“你有Reram,PCM,3D XPoint和STT-MRAM,”首席技术官David Fring说科森特。“什么会赢?他们都会在特定应用中找到家庭。“

例如,MRAM已经在市场上找到了插槽。在传统的存储器中,数据以电荷的形式存储。相比之下,MRAM使用一个磁隧道结(MTJ)存储单元作为存储元件。Everspin的总裁兼首席执行官菲利普·洛普雷斯蒂(Phillip LoPresti)说:“我们使用磁性或电子自旋的操纵来控制比特的电阻,这使我们能够对1和0进行编程。”

Everspin的第一批MRAM设备被称为“切换MRAM”(toggle MRAM),专门针对基于sram的备用电池市场。然而,如今业界正专注于一种名为垂直STT-MRAM或ST-MRAM的下一代技术。


图1:自旋扭矩MRAM技术。来源:everspin.

“STT-MRAM直接通过电池使用电流,”硅系统组内存和材料的管理总监Er-Xuan Ping说应用材料。“它使用自旋极化电流基本上强制在该胶片中的磁化变化。”

切换MRAM广泛用于该领域,但它们具有一些缩放限制。“STT-MRAM有几个优点。其中一个是缩放的,“Ping说。“STT-MRAM具有与传统MRAM的其他优势,因为您将电流直接通过电池。使用该能量来切换磁化,更有效。它远远高于现场驱动的MRAM。“

在最近的展示中,工程师总监Seung KangQualcomm.,列出了STT-MRAM的一些关键属性:

•非波动性与DRAM和SRAM相同的特征;
•几乎无限的耐力,以及
•快速低压,和
•CMOS友好。



图2:1T-1MTJ pSTT-MRAM架构。来源:GlobalFoundries

然而,STT-MRAM具有以下挑战:

•复杂的胶片堆;
•狭窄的传感保证金,和
•焊料回流保留。

然而,有一段时间,Everspin已经运输MRAM,包括基于其铸造伙伴,GlobalFoundries的40纳米工艺的256兆比特的垂直STT-MRAM。Everspin采样基于28nm的1千兆位部分。

作为与Everspin的授权协议的一部分,GlobalFoundries正在为其即将推出的22nm FD-SOI平台开发嵌入式STT-MRAM。随着时间的推移,代工公司计划为其12nm FD-SOI工艺以及14nm和7nm finfet开发嵌入式MRAM。

GlobalFoundries很快就会有一些公司加入。三星、台积电和联电分别为嵌入式客户开发这项技术。三星有自己的知识产权,而其他人则与各种合作伙伴合作。

从它的角度来看,Everspin正在接受可能被视为竞争的东西。Everspin的LoPresti表示:“从我们的角度来看,这一切都很好。“它验证了整个行业。它还将加快生产设备的规模经济。如果(铸造厂)推出了MRAM,这意味着他们要找工具人员,让他们把生产工具放到合适的地方,有良好的吞吐量和投资回报率。”

除了Everspin和晶圆代工厂,英特尔、美光和东芝- sk海力士都在研发MRAM。与此同时,Avalanche、Crocus和Spin Transfer Technologies等几家初创公司正在开发这种技术。

制作stt-mram
对大多数人来说,制作MRAM说起来容易做起来难。MRAM涉及新材料、集成方案和设备的开发。

它还具有比传统内存不同的过程流。通常,MRAM工艺开始于传统的FAB,其中铸造厂供应商在所谓的前端 - 端(FEOL)中具有电路的标准CMOS晶片。电路可以包含晶体管方案或类似微控制器(MCU)的装置。

然后,设备和/或衬底被运送到一个单独的fab facility称为后端生产线(BEOL.)。BEOL是金属层和微小铜互连在装置顶部制造的地方。

STT-MRAM建于晶圆厂的BEOL。实际上,STT-MRAM存储器层基于触点的顶部或通过芯片的金属层之一,例如金属层4(M4)或其他。


图3:嵌入式MRAM。来源:everspin.

相比之下,DRAM和flash是在存储器芯片的FEOL中处理的。在FEOL中,传统的存储器是在较高的温度下处理的。

然而,使用MRAM,磁性薄膜薄而较薄,无法承受更高的温度,因此MRAM在温度低得多的BEOL中制造。“磁性薄膜非常薄。“应用的平说,你不能为他们带来非常高的温度。

制造STT-MRAM是一种微妙的过程。如果步骤不精确,则可能会出现问题。通常会发生短路,从而影响产量。缺陷也是具有挑战性的。

对于启动器,STT-MRAM需要三个屏蔽步骤,用于以下部分 - 底部电极,顶电极和MTJ电池。第一步是沉积薄的材料层,其成为底部电极。然后,这里是形成薄膜叠层的第一个硬部件。膜堆叠可以具有20至30层。诀窍是用精确度将这些电影置于彼此之上。

“这是一个非常薄薄的薄膜,在几埃范围内,”平说。“你堆叠它们以最大化磁化。”

在某些情况下,使用各种工艺模块在封闭的集群工具内制造STT-MRAM。该模块包括单独的腔室物理气相沉积(PVD),退火和离子束蚀刻。

如果它暴露在空气中,薄膜堆叠将遇到问题。“你需要在一台机器中蚀刻并封装它,”福尔斯滕·莱尔说,副总裁林研究所。“你不能将晶圆暴露在空中。”

STT-MRAM由MTJ存储单元组成。MTJ采用一种基于氧化镁(MgO)的薄介质隧穿阻挡膜,该膜被两层钴-铁-硼(CoFeB)化合物的铁磁层夹在中间。在操作中,电流通过大约10埃厚的MgO膜。据应用材料公司(Applied Materials)称,CoFeB层的长度为10至30埃。


图4:pMTJ薄膜叠片细节,(b)、(c)为pMTJ阵列的横截面和俯视图。来源:应用材料

在fab中,堆栈可以进行调整。“关于MRAM有趣的事情是取决于你如何构建堆栈,你可以有较低温度或较高温度的设备。你可以用flash或者SRAM。所有这些都可以通过调整堆栈来实现,”Lam的Lill说。

然后,薄膜堆叠退火,然后是下一个大挑战 - 蚀刻。为了形成MTJ堆叠的所需尺寸和尺寸,将抗蚀剂沉积在表面上,然后蚀刻。

传统的反应离子蚀刻(RIE)工具在STT-MRAM中没有使用,因为它们会损坏堆栈。相反,该行业使用离子束蚀刻(IBE),它使用带电离子束蚀刻薄膜。

在IBE中,离子梁撞到了表面。“这是溅射,”露林说“它被称为化学增强的离子束蚀刻。第一代是纯贵族气体氩气溅射。“

然而,IBE有一些挑战。“离子束蚀刻器在间距上有限制。当你走向较小的球场时,有一个阴影效果。这项技术仍在开发出来,“应用的Ping说。

然后,经过IBE,封装设备。在每一步,设备经历不同的计量脚步。“我们预计这些新的架构可以推动新的计量和检查要求,”客户参与高级总监Neeraj Khanna说:KLA-Tencor

killer应用程序?
在工厂的进展中,STT-MRAM目前在几个市场中获得蒸汽。“有两种用例。第一个是替换嵌入式闪光灯。另一个将被嵌入式SRAM,这是一个更难的用例,“林的林林说。“看起来它的行业共识是STT-MRAM是一个良好的嵌入式解决方案。然后,相变和reram可能是独立的设备。纪念日也可以嵌入。“

多年来,该行业一直在探索STT-MRAM的发展作为DRAM的替代品。这些努力留在研发中。

无论应用程序如何,行业都面临一些挑战,使技术成为更多主流。例如,STT-MRAM仍然需要证明它可以满足汽车的严格可靠性和数据保留规范。

“花了很多年才能设计和发展基本的STT-MRAM记忆技术,”网络脚的Niebel说。“开发和生产新的NVM技术需要至少七年,然后另外五到七年将其整合到客户的产品周期中。”

首先,Everspin正在针对SSD和RAID系统中的写缓存应用程序的STT-MRAM。通常,SSD使用基于DRAM的缓冲区来帮助加快系统。但如果系统失去电源,则数据处于危险之中。因此,SSD还将包含电容器,但这增加了系统的成本。

为了解决这个问题,可以将STT-MRAM合并到SSD的写缓冲区套接字中。Everspin的LoPresti说:“一旦数据写入我们的部件,因为它们是不易挥发的,你不再需要连接超级电容器或电池。”

另一个市场嵌入式内存,也升温,特别是对于MCU。通常,MCU在同一芯片上集成了多个组件,例如CPU,SRAM,嵌入式内存和外围设备。嵌入式内存(如闪存)用于代码存储和其他功能。

mcu从40nm迁移到28nm, NOR也遵循同样的迁移路径。然而,在2xnm节点上,NOR开始出现写速度慢和持久性问题。它也变得更加昂贵,因为它需要更多的口罩步骤。

超过28nm,也不难以扩大。“所以人们正在寻找替代方案,”UMC的Sheu说。“这就是新兴记忆这几天出现了很多关注的原因。”

替换或与新的内存类型不是一个简单的任务。“这些竞争新型记忆类型增殖的关键要求是性能,可靠性,密度和成本,”Sheu说。

那么这一切如何发挥作用?“我们继续期待28nm将成为一个长节点,”他说。“在28nm时的现有浮栅技术已被证明在这个空间中非常适合工作。性能,耐力和成本效益使传统的ENVM成为多功能解决方案。随着成熟度,预计多年来占据各种应用,例如IoT,汽车和移动设备。“

其他人同意。“嵌入式闪存将很长一段时间,”Globalfoundries'Eggleston说。“对于刚刚不想改变的保守客户来说,他们将继续寻找从铸造厂的嵌入式闪光延伸到低几何形状。”

但是,现在,STT-MRAM似乎为2xNM节点的嵌入式市场准备好了。其他内存类型仍然粘在R&D中。“对于嵌入式,我们看到的是需要速度,”Eggleston说。“MRAM可以为您提供高耐久的耐力和快速写入速度。MRAM的成本加法器与嵌入式闪光相同或略低于较小。“

在最近的一篇论文中,披露的GlobalFoundries在40 Mbit阵列中展示了STT-MRAM技术。该技术在125摄氏度下具有低位错误率和10年的数据保留,延长耐久性至约107个循环。

基于此数据,嵌入式MRAM非常适合甚至更严格的应用。“嵌入式闪光灯将适用于汽车,”他说。“但在一些应用中,甚至汽车,Emram也可能接管。”

在应用的另一个例子中,MCU可以包含嵌入式STT-MRAM和SRAM。MRAM将替换嵌入式闪存以进行代码存储。

嵌入式STT-MRAM还可以假定一些基于sram的缓存函数,从而节省空间和成本。他说:“你无法摆脱SRAM,但你可能会减少现有SRAM的数量。”“SRAM和eMRAM可以协同工作。”

下一步是什么?
业界在开发STT-MRAM的同时,也在研发未来的MRAM技术。一种被称为自旋轨道扭矩(SOT) MRAM的技术正在被开发,以取代基于sram的缓存。

“有一些证据表明,它们提供了一些类似于较低的开关电流和保留数据的能力,并以更高的速度运行,”Everspin的Lopresti说。“但他们在发展阶段很早。”

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4评论

MEAMISTER. 说:

MRAM支持出现“差点”,因为三星和GlobalFoundries只通过SOI批准MRAM,而TSMC和UMC也回到RERAM。所以它仍然看起来像一个流行的选择,但不是行业信号。

“在最近的一篇论文中,披露的GlobalFoundries在40 Mbit阵列中展示了STT-MRAM技术。该技术在125摄氏度下具有低位错误率和10年的数据保留,延长耐久性至约107个周期。“
我相信这里必须有一个错字,这将是10 ^ 7周期吗?107个耐力循环是可怜的,可能比QLC NAND更糟糕。

MEAMISTER. 说:

是的,它应该是1000万周期。但与“经典”MRAM相比,这种规范仍然是较淡化的。竞争替代的NVM可以比这更好。

说:

我记得多年前,MRAM只是一个梦想记忆,但现在他们实际上能够生产它们?
很有意思。想象一下,如果它们可以以低成本产生非常高的密度MRAM,因为有一天它们是大量生产的/可能能够。

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