嵌入式MRAM技术现在炙手可热

继几家代工厂公开宣布计划在今年年底和2018年之前投产磁阻式随机存取内存(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)后，最近一家代工厂描述了如何透过MRAM为嵌入式应用大幅提升数据保存的能力。

在最近于日本举行的“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在发表研究论文时讨论了Everspin Technologies随嵌入式MRAM (eMRAM)转向22nm工艺节点的进展。

Globalfoundries嵌入式内存副总裁Dave Eggleston表示，文中强调的重点突破是eMRAM可在摄氏260度下经由回流焊保存资料、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。这将使eMRAM能够用于通用微控制器(MCU)和汽车SoC。他说：“磁性层一直缺乏热稳定度。因此，如果数据保存的问题得以解决，就能开启更广泛的市场。”

Eggleston表示，虽然MRAM在先前的技术节点展现了非挥发性、高可靠性以及可制造性，但在微缩至2x nm节点以及兼容嵌入式内存的后段工艺(BEOL)温度时开始面临挑战。如文中所述，磁穿隧接面(magnetic tunnel junction；MTJ)堆栈和整合可在摄氏400度、60分钟的MTJ图案化热预算时优化，并兼容于CMOS BEOL工艺。

Eggleston表示，三家主要的代工厂都推出了采用该技术的产品，客户并选择了Globalfoundries的工艺开发工具包(PDK)进行设计。主要的晶圆设备制造商从几年前开始投入这个领域，因为他们认为它具有充份的商业潜力，因此该工具可用于MTJ的沉积与蚀刻。Eggleston说：“他们已经与像我们这样的大型晶圆厂以及像Everspin等小型公司连手，共同投资与开发产品。”

同时，MCU客户开始认真地研究如何利用MRAM强化其架构。Eggleston说：“他们实现了更快的写入速度，也具有更高的耐用性。”这让他们能在以往可能使用静态随机存取内存(SRAM)的应用开始使用嵌入式MRAM。他并指出，以电路的简单性和制造成本来看，2x nm节点正是该技术的甜蜜点。

Globalfoundries的MTJ堆栈和整合已在摄氏400度、60分钟MTJ图案化热预算时优化，并兼容于CMOS BEOL工艺

eMRAM的市场机会和其他新兴与现有的内存技术并没有太大的不同：新的大量市场包括移动性、连网、数据中心、物联网(IoT)以及汽车等。Eggleston指出，对于Globalfoundries来说，物联网与汽车市场更重要。“我们曾经说过这两大市场在很大程度上是相同的，但作为一家代工厂，我们在汽车领取得了更大的成长动能。”

嵌入式闪存(eFlash)一直是目前普遍使用的嵌入式内存，但因应市场需求存在多种新兴的内存选择。除了eMRAM以外，还有相变内存(PCM)、嵌入式电阻RAM(eRRAM)、碳纳米管(CNT)和铁电场效晶体管(FeFET)等。Eggleston指出，无论是哪一种选择，都必须在数据保存、效率与速度方面权衡。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。

Eggleston说：“MRAM和RRAM具有类似的功能，二者都是后段校准的内存，因而能更易于落实于逻辑工艺中。”可用的工艺技术包括需要大型芯片、FD-SOI或FinFET的工艺。他并表示，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。

Eggleston说，RRAM的堆栈更简单，因为在电极之间所需的材料较少。他说：“而且它并不需要像MRAM一样的设备投资。MRAM由于堆栈较复杂，确实需要一些资本设备投资。”然而，他指出，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。

Eggleston说，MRAM较RRAM胜出之处在于其多功能性，因为它的材料组成可在电极之间加以调整。“你可以为其进行调整，使其具有更好的数据保存能力，或是支持更快的写入速度与耐用性。”他并补充说，这种可调整的能力让Globalfoundries能在先进节点跨足以往采用eFlash的领域，也可以调整其速度，使其得以作为非挥发性快取，用于服务器处理器与储存控制器中。

编译：Susan Hong

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