四大晶圓廠搶單MRAM，新存儲(chǔ)時(shí)代開啟？
有四家主要的代工廠計(jì)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(xiàng)下一代內(nèi)存技術(shù)設(shè)置了最終將變革市場(chǎng)格局的舞臺(tái)。 GlobalFoundries、三星、臺(tái)積電和聯(lián)電計(jì)劃開始提供自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻 RAM(spin-transfer torque magnetoresistive RAM，簡(jiǎn)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(chǎng)的一次巨大轉(zhuǎn)向，因?yàn)榈侥壳盀橹箖H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(gè)大機(jī)會(huì)是嵌入式內(nèi)存 IP 市場(chǎng)。傳統(tǒng)的嵌入式內(nèi)存 NOR 閃存在從 40nm 向 28nm 及以后節(jié)點(diǎn)遷移時(shí)正遇到各種各樣的問題。所以這些代工廠對(duì) STT-MRAM 的支持會(huì)讓這項(xiàng)技術(shù)成為先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的事實(shí)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?？赡苌踔粮匾氖撬€具有近乎無限的耐久性。 “嵌入式閃存將繼續(xù)是嚴(yán)酷環(huán)境中的數(shù)據(jù)存留之王，尤其是對(duì)于汽車和安全應(yīng)用?！盙lobalFoundries 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(zhǎng)壽的領(lǐng)域。但它的擴(kuò)展性不是很好。隨著你下降到 28nm 或更小的節(jié)點(diǎn)，嵌入式閃存實(shí)際上就成了一個(gè)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(diǎn)的嵌入式內(nèi)存應(yīng)用做好了準(zhǔn)備?！霸谟糜谄?、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子和移動(dòng)設(shè)備的 MCU 和 SoC 上，嵌入式 STT-MRAM 有很大的機(jī)會(huì)替代嵌入式閃存。”Web-Feet Research 首席執(zhí)行官 Alan Niebel，“首先補(bǔ)充然后替代嵌入式 DRAM 和 SRAM 也是 MRAM 的一大機(jī)會(huì)，因?yàn)?MRAM 能為處理器增加持久性的能力。” 但是，STT-MRAM 能否實(shí)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(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。不管怎樣，MRAM 可能最終會(huì)長(zhǎng)大為一個(gè)大市場(chǎng)，也可能只是一種利基的解決方案;究竟會(huì)怎樣取決于幾個(gè)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(jìn)軍 STT-MRAM 領(lǐng)域的舉動(dòng)很可能將會(huì)助力這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)和成本下降。 但這種技術(shù)也面臨著一些難題，因?yàn)椴⒎撬写た蛻舳夹枰?22nm 及以后節(jié)點(diǎn)的芯片。此外，STT-MRAM 是一種相對(duì)較新的技術(shù)，客戶還需要一些時(shí)間才能將其整合進(jìn)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(huì)丟失數(shù)據(jù)，盡管其中的信息會(huì)在之前遷移到存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間了，但和傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，它們還是在成本和可擴(kuò)展性上捉襟見肘?！? 很顯然，DRAM、閃存和 SRAM 等傳統(tǒng)內(nèi)存依舊是市場(chǎng)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(shí)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(dòng)器和基于 NAND 的固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器(固態(tài)硬盤)則用于存儲(chǔ)。 當(dāng)今的內(nèi)存市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，尤其是對(duì)于 3D NAND。Tokyo Electron Ltd.(TEL)總裁兼首席執(zhí)行官 Toshiki Kawai 在最近一場(chǎng)演講中說：“推動(dòng)力來自數(shù)據(jù)中心對(duì) 固態(tài)硬盤 的需求?！? 這也助長(zhǎng)了對(duì)晶圓廠設(shè)備(WFE)的需求。Kawai 說：“受對(duì)下一代 3D NAND 和先進(jìn)邏輯的投資推動(dòng)，2017 年 WFE 資本性支出預(yù)計(jì)將同比增長(zhǎng) 10% 以上。”與此同時(shí)，幾種下一代內(nèi)存類型也開始迎來發(fā)展勢(shì)頭。目前，3D XPoint 和 STT-MRAM 可能發(fā)展勢(shì)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、電腦M、3D XPoint 和 STT-MRAM，哪種技術(shù)會(huì)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(chǎng)位置。在傳統(tǒng)內(nèi)存中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲(chǔ)。而 MRAM 則使用磁隧道結(jié)(MTJ)內(nèi)存單元作為存儲(chǔ)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(chǎng)。然而今天內(nèi)存行業(yè)重點(diǎn)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(qiáng)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(kuò)展方面的局限性?！癝TT-MRAM 有一些優(yōu)勢(shì)。其中之一是擴(kuò)展性?！盤ing 說，“相對(duì)于傳統(tǒng)MRAM，STT-MRAM 也有其它優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟阕岆娏髦苯哟┻^了單元。使用這種能量來開關(guān)磁化要更加高效。比磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的 MRAM 要更加高效很多。”高通工程總監(jiān) Seung Kang 在最近的一場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高速度; 對(duì) 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(shí)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(tái)開發(fā)嵌入式 STT-MRAM。這家代工廠還計(jì)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(huì)有其它伙伴了。三星、臺(tái)積電和聯(lián)電都各自在為自己的嵌入式客戶開發(fā)這項(xiàng)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(chǎng)來看，這家公司可能很歡迎競(jìng)爭(zhēng)?！皬奈覀兊慕嵌瓤?，這都很有好處。”Everspin 的 LoPresti 說，“這證明了這個(gè)產(chǎn)業(yè)。這也將加速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。如果(代工廠)要推出 MRAM，那就意味著它們會(huì)向生產(chǎn)工具的公司要求能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和投資回報(bào)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(shí)，Avalanche、Crocus 和 Spin Transfer Technologies 等幾家創(chuàng)業(yè)公司也在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。 生產(chǎn)STT-MRAM 對(duì)大多數(shù)公司來說，生產(chǎn) MRAM 說說就好，實(shí)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(huì)在這里生產(chǎn)帶有電路的標(biāo)準(zhǔn) 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(gè)微控制器(MCU)這樣的器件。 然后，該器件和/或一個(gè)基板會(huì)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(xì)的銅導(dǎo)線會(huì)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(shí)際上，STT-MRAM 內(nèi)存層構(gòu)建于芯片中一個(gè)金屬層的觸點(diǎn)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(shí)的溫度更高。 而對(duì)于 MRAM，因?yàn)榇判员∧ず鼙?，無法承受更高的溫度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，這時(shí)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(gè)精細(xì)的過程。如果步驟不準(zhǔn)確，就會(huì)出問題。短缺的情況常常發(fā)生，就會(huì)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(gè)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(huì)成為底部電極。然后就會(huì)遇到第一個(gè)難點(diǎn)――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(shí)現(xiàn)磁化作用的最大化?！? 在某些情況下，STT-MRAM 是在一個(gè)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(huì)出現(xiàn)問題?！澳阈枰谕慌_(tái)機(jī)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?！盨TT-MRAM 包含一個(gè) MTJ 內(nèi)存單元。MTJ 使用了基于氧化鎂(MgO)的薄介電隧道勢(shì)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(shí)，電流會(huì)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(jìn)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(duì)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?yàn)檫@會(huì)破壞堆疊。行業(yè)實(shí)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(shí)，離子束會(huì)撞擊薄膜表面?！斑@是濺射方法?！盠ill 說，“這被稱為化學(xué)增強(qiáng)離子束蝕刻(chemically-enhanced ion beam etching)。第一代是純惰性氣體氬氙濺射?！钡?IBE 也面臨著一些挑戰(zhàn)。Applied 的 Ping 說：“離子束蝕刻器對(duì)間距有限制。當(dāng)你的間距更小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)陰影效應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)還仍在開發(fā)之中?！? 然后，在完成 IBE 之后，該器件就會(huì)被封裝起來。在每一步，這個(gè)器件都要經(jīng)歷多種計(jì)量步驟。KLA-Tencor 客戶參與高級(jí)總監(jiān) Neeraj Khanna 表示：“我們預(yù)計(jì)這些新架構(gòu)將會(huì)推動(dòng)發(fā)展對(duì)計(jì)量和檢測(cè)的新要求?！? 殺手級(jí)應(yīng)用? 有了晶圓廠方面的進(jìn)展，STT-MRAM 也正在多個(gè)市場(chǎng)獲得發(fā)展勢(shì)頭?！艾F(xiàn)在有兩個(gè)用例。第一個(gè)是替代嵌入式閃存。另一個(gè)是會(huì)替代嵌入式 SRAM，這個(gè)用例更難一點(diǎn)?！盠am 的 Lill 說，“看起來行業(yè)的共識(shí)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(dú)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(xiàng)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 依舊需要證明自己能夠滿足高溫環(huán)境中嚴(yán)格的可靠性和數(shù)據(jù)存留要求。 “設(shè)計(jì)和開發(fā)基本的 STT-MRAM 內(nèi)存技術(shù)就用去了許多年時(shí)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(shí)間，然后還需要另外 5 到 7 年才能將其整合進(jìn)客戶的產(chǎn)品周期中?！? 因?yàn)檫@部分原因，Everspin 的 STT-MRAM 的目標(biāo)定位是用于 固態(tài)硬盤 和 RAID 系統(tǒng)中的寫緩存應(yīng)用。傳統(tǒng)上，固態(tài)硬盤 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(xiǎn)。所以，固態(tài)硬盤 還要集成電容器，但這會(huì)增加系統(tǒng)的成本。 為了解決這個(gè)問題，可以在 固態(tài)硬盤 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?yàn)樗鼈兪欠且资У模阅憔蜔o需再連接超級(jí)電容或電池?！? 嵌入式內(nèi)存市場(chǎng)也在持續(xù)升溫，尤其是 MCU 方面。一般來說，MCU 會(huì)在同一塊芯片上集成多種組件，比如 處理器、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(chǔ)代碼或其它功能。 MCU 正在從 40nm 節(jié)點(diǎn)向 28nm 節(jié)點(diǎn)遷移，NOR 也遵循同樣的遷移路線。但在 20 幾納米節(jié)點(diǎn)，NOR 會(huì)開始遇到寫入速度慢和耐久性的問題。它的成本也會(huì)更高，因?yàn)樾枰嘌谀２襟E。 28nm 節(jié)點(diǎn)之后，NOR 難以擴(kuò)展。聯(lián)電的 Sheu 說：“所以人們?cè)趯ふ姨娲桨?。這就是這段時(shí)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(xiàng)簡(jiǎn)單任務(wù)。Sheu 說：“這些參與競(jìng)爭(zhēng)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(huì)怎樣發(fā)展呢?“我們繼續(xù)預(yù)期 28nm 將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的節(jié)點(diǎn)。”他說，“28nm 節(jié)點(diǎn)已有的浮動(dòng)?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(shì)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(dòng)設(shè)備領(lǐng)域?！? 其他人同意這個(gè)觀點(diǎn)。 GlobalFoundries 的 Eggleston 說：“嵌入式閃存還將繼續(xù)存在很長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)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(kuò)展到更低的幾何尺寸時(shí)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(diǎn)的嵌入式市場(chǎng)做好了準(zhǔn)備。其它的內(nèi)存類型還卡在研發(fā)階段?！皩?duì)于嵌入式，我們看到了對(duì)速度的需求?！盓ggleston 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(zhǎng)與嵌入式閃存一樣或還稍微少一點(diǎn)?！痹谧罱黄撐闹?，GlobalFoundries 透露已經(jīng)在一種 40 Mb 陣列中演示了 STT-MRAM 技術(shù)。這項(xiàng)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(shí)間，并且耐久性擴(kuò)展到了大約 107 個(gè)周期。 根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，嵌入式 MRAM 即使對(duì)更嚴(yán)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(gè)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(chǔ)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(shì)，當(dāng)然，現(xiàn)在這個(gè)研究還處于一個(gè)相當(dāng)早的一個(gè)階段?！盓verspin的LoPresti說。
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