2017年在VLSI-TSA研讨会上Globalfoundries对如何解决eMRAM未来将更广泛应用在汽车MCU和SoC上所面临的挑战发表了论文。
今年年底和2018年之前已相继有几家代工厂公开宣布产磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory;
MRAM)的计划,而最近一家代工厂更是为广大客户普及了未来如何通过MRAM为嵌入式应用大幅提升数据保存。
日本最新举行的“2017年国际超大集成电路(VLSI)技术、系统和应用研讨会”(VLSI-TSA)上,Globalfoundries在其发表研究论文就Everspin Technologies随嵌入式MRAM (eMRAM)转向22nm制程节点的进展进行讨论。
Globalfoundries其研究论文重点的突破在eMRAM可在摄氏260度下经由回流焊保存数据、持续十多年维持摄氏125度,以及在摄氏125度具有卓越读/写耐用性的能力。这也是Globalfoundries嵌入式存储器副总裁Dave Eggleston在会议上所强调的重点,eMRAM的这个特性对于应用于通用微控制器(MCU)和汽车SoC至关重要,一直以来大家对MRAM这种存储器的认识是“磁性层一直缺乏热稳定度,如果这个eMRAM数据保存的问题得以解决,那必将可以应用于更广泛的市场。
Eggleston认可MRAM在应用中展现非挥发性、高可靠性以及可制造性的特性,但对于MRAM在在微缩至2x nm节点以及相容嵌入式存储器的后段制程(BEOL)温度时所面临的挑战感到担忧,而eMRAM如文中所描述,磁穿隧接面(magnetic tunnel junction;MTJ)堆叠和整合可在摄氏400度、60分钟的MTJ图案化热预算时最佳化,并相容于CMOS BEOL制程。
目前有三家主要代工厂选择了Globalfoundries的制程开发套件(PDK)进行设计产品。早几年就有晶圆设备制造商看好并投入这个领域,他们认为eMRAM具有充分的市场潜力,可以用于MTJ的沉积与蚀刻。已经有不少工厂与像Everspin或Globalfoundries等公司共同合作投资开发产品。
正因为MRAM强化其架构已有相当多的MCU客户在对其该特性进行认真的研究如何利用,更快的写入速度和更高的耐用性是MRAM在以往其他使用静态随机存取存储器(
SRAM)的应用而开始使用嵌入式MRAM最大的感受,以电路的简单性和制造成本来看嵌入式MRAM2x nm节点正是技术的所在。
Globalfoundries的MTJ堆叠和整合已在摄氏400度、60分钟MTJ图案化热预算时最佳化,并相容于CMOS BEOL制程
从市场机会来说eMRAM与现在大多数的存储器技术来说并没有太多的差异,
出现了像包括移动性、联网、数据中心、物联网(IoT)以及汽车等的新的市场,而对于eMRAM来说物联网与汽车市场更重要。
目前普遍使用的嵌入式存储器主要是嵌入式快闪存储器(eFlash),但市场上也存在各种存储器的选择,除了eMRAM以外,也有嵌入式电阻RAM(eRRAM)、相变存储器(PCM)、铁电场效电晶体(FeFET)和碳纳米管(CNT) 等。但无论选择哪种存储器,都需要在数据保存、效率与速度方面取的平衡,CNT和FeFET均展现发展潜力,但还不够成熟,而PCM则适用于特定应用,而无法广泛用于嵌入式应用。
MRAM和RRAM都是后段校准的存储器,所以在功能上有些类似,也因此能更易于应用于逻辑制程中。可用的制程技术包括需要大型芯片、FinFET或FD-SOI的制程,eFlash可内建于芯片之中,但如果要建置于各种不同的技术中将更具挑战性。
在Eggleston看来RRAM的堆叠比MRAM更简单,所以电极之间用的材料比较少,而且不像MRAM需要投入一些设备。MRAM由于堆叠比较复杂,确实需要投资更多的设备以便生产,另一点是,RRAM无法提供满足更广泛市场所要求的数据保存、速度以及耐用度等能力。
MRAM相比RRAM在性能上胜出在于其多功能性,MRAM的材料组成可以在电极之间加以调整,这种可调整的能力能在先进节点跨足以往采用eFlash的领域或是支援更快的写入速度与耐用性,也可以进行调整,使其具有更好的数据保存能力,使其得以作为非挥发性快取,用于伺服器处理器与储存控制器中。