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MRAM的进展与研发方向

* 来源 : * 作者 : * 发表时间 : 2017-07-07

DIGITIMES:MRAM的进展与研发方向

MRAM是新兴的存储器,为晶圆制造代工业竞争主轴之一。先讲结论,MRAM的最近发展令人兴奋。它虽然是新兴的存储器,却成为传统上以逻辑线路为主的晶圆制造代工业竞争主轴之一。

MRAM研发的挑战一直都是良率和微缩。良率的提升除了晶圆厂各自在制程上的努力之外,机器设备厂商也出力甚多,这是几家大机器设备厂商先后投入这即将兴起设备市场良性竞争的结果。MRAM相关制程主要有磁性材料的蚀刻(etcher)与溅镀(sputter)两种设备,最近新机型的溅镀设备表现令人惊艳,这将有助于晶圆厂MRAM制造良率的提升。

微缩的进展来自于材料和制程的进步:MRAM中存储单元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧结)中磁性材料的PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向异性)加大了3倍。简单说,磁铁的磁性变强了,因此用较小的磁铁,其磁矩也足以抵抗热扰动,长久保存数据,所以MTJ可以变小。(注)

但是目前MRAM微缩的瓶颈不在于MTJ,而是在于电晶体。主要原因是翻转MTJ中磁矩的效率都有待改进-不管是以前用电流产生的磁场来翻转磁矩,或者是目前的STT (Spin Transfer Torque;自旋移转转矩)。翻转磁矩要有足够大的写入电流,电晶体就要够大。但是由于上述PMA的改善,MTJ可以缩小,要翻转它的磁矩所需的电流下降,电晶体可以再微缩,功耗也下降了,写入速度变快。以前MRAM中的数据如果要维持10年,MTJ的直径必须在30nm以上。现在有PMA的长进,三星预计2020年MRAM达到18nm是充分可能的。

MRAM如果当成单独(stand-alone)存储器,它只是存储器的一种,而且价格暂时还压不下来,只能在特定利基市场应用。如果应用在嵌入式存储器,它几乎是不可或缺的。eSRAM面积巨大无比,幸好所需的容量较少,也与逻辑线路相容,尚可忍受。对于eFlash嵌入式快闪存储器,目前就几乎束手无策了,自90nm以降,eFlash不太能随制程微缩,现在它占整个芯片面积的百分比越来越高,功耗的表现也差。

现在新兴的、高成长率的IoT芯片以及车用电子的制程都慢慢的移到40/28nm了,eFlash的问题变得很急迫。如果eFlash不能改成可微缩、低能耗的eMRAM,则在逻辑线路的制程微缩近乎白搭-用的制程比较贵,面积的改善却只有一点点。这是为什么晶圆代工厂商除了努力推进10nm以下的制程外,还要分出资源去照顾这一块的理由。

除了以STT翻转磁矩、写入数据的方式外,学界与业界目前也正在研发SOT(Spin-Orbit Torque;自旋轨道转矩)与VCMA(Voltage Control Magnetic Anisotropy;电压控制磁各向异性)两种更有效率的翻转磁矩方式,代价是MRAM的结构可能变得复杂。这是性能持续改善的研发投资,不能不做。但是如果STT MRAM的写入电流可以再下降些,使得写入速度与DRAM的10ns相仿佛,则半导体业将有很长时间继续使用STT MRAM-毕竟这是半导体业一向的哲学,将一项技术用到春蚕至死丝方尽!

注:MRAM中存储单元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧结)由多层的磁性、氧化物、金属等薄膜所构成,这些薄膜有些只有几个分子厚。MTJ的特殊性质PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向异性)-产生存储单元所需磁矩的物理特性-则是由磁性薄膜与氧化层的界面效应所决定。MTJ的元件表现深受薄膜品质所影响,所以溅镀设备性能的提升将有助于晶圆厂MRAM制造良率的改善。