[原创] 台积电布局新存储技术
2020-08-13
14:41:37
来源: Sophie
近年来，在人工智能（AI）、5G等推动下，以MRAM（磁阻式随机存取存储器）、铁电随机存取存储器 (FRAM)、相变随机存取存储器（PRAM），以及可变电阻式随机存取存储器（RRAM）为代表的新兴存储技术逐渐成为市场热点。这些新技术吸引各大晶圆厂不断投入，最具代表性的厂商包括台积电、英特尔、三星和格芯（Globalfoundries）。
那么，这些新兴存储技术为什么会如此受期待呢？主要原因在于：随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进，传统的DRAM和NAND Flash面临越来越严峻的微缩挑战，DRAM 已接近微缩极限，而NAND Flash则朝3D方向转型。
此外，传统存储技术在高速运算上也遭遇阻碍，处理器与存储器之间的“墙”成为了提升运算速度和效率的最大障碍。特别是AI的发展，数据需求量暴增，“墙”的负面效应愈加突出，越来越多的半导体厂商正在加大对新兴存储技术的研发和投资力度，寻求成本更佳、速度更快、效能更好的存储方案。
从目前来看，最受期待的就是MRAM，各大厂商在它上面投入的力度也最大。MRAM属于非易失性存储技术，是利用具有高敏感度的磁电阻材料制造的存储器，断电时，MRAM储存的数据不会丢失，且耗能较低，读写速度快，可媲美SRAM，比Flash速度快百倍，在存储容量方面能替代DRAM，且数据保存时间长，适合高性能应用。
MRAM的基本结构是磁性隧道结，研发难度高，目前主要分为两大类：传统MRAM和STT-MRAM，前者以磁场驱动，后者则采用自旋极化电流驱动。
另外，相较于DRAM、SRAM和NAND Flash等技术面临的微缩困境，MRAM可满足制程进一步微缩需求。目前，DRAM制程工艺节点为1X nm，已接近极限，而Flash走到20 nm以下后，就朝3D制程转型了。MRAM制程则可推进至10nm以下。
诸神争霸
在过去几年里，包括台积电、英特尔、三星、格芯等晶圆代工厂和IDM，相继大力投入MRAM 研发，而且主要着眼于STT-MRAM，也有越来越多的嵌入式解决方案诞生，用以取代Flash、EEPROM和SRAM。
早在2002年，台积电就与中国台湾地区工研院签订了MRAM合作发展计划。近些年，该公司一直在开发22nm制程的嵌入式STT-MRAM，采用超低漏电CMOS技术。
2018年，台积电进行了eMRAM芯片的“风险生产”，2019年生产采用22nm制程的eReRAM芯片。
2019年，台积电在嵌入式非易失性存储器技术领域达成数项重要的里程碑：在40nm制程方面，该公司已成功量产Split-Gate（NOR）技术，支持消费类电子产品应用，如物联网、智慧卡和MCU，以及各种车用电子产品。在28nm制程方面，该公司的嵌入式快闪存储器支持高能效移动计算和低漏电制程平台。
在ISSCC 2020上，台积电发布了基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。该技术基于台积电的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工艺，具有10ns的极高读取速度，读取功率为0.8mA/MHz/bit。对于32Mb数据，它具有100K个循环的写入耐久性，对于1Mb数据，具有1M个循环的耐久性。它支持在260°C下进行90s的IR回流焊，在150°C下10年的数据保存能力。它以1T1R架构实现单元面积仅为0.046平方微米，25°C下的32Mb阵列的漏电流仅为55mA。
目前，台积电已经完成22nm嵌入式STT-MRAM技术验证，进入量产阶段。在此基础上，该公司还在推进16 nm 制程的STT-MRAM研发工作。
除了MRAM，台积电也在进行着ReRAM的研发工作，并发表过多篇基于金属氧化物结构的ReRAM论文。
本周，台湾地区工研院电光所所长吴志毅表示，由于新兴存储技术将需要整合逻辑制程技术，因此现有存储器厂商要卡位进入新市场，门槛相对较高，而台积电在这方面具有先天优势，因为该公司拥有很强的逻辑制程生产能力，因此，台积电跨入新兴存储市场会具有竞争优势。
据悉，台湾地区工研院在新兴存储技术领域研发投入已超过10年，通过元件创新、材料突破、电路优化等方式，开发出了更快、更耐久、更稳定、更低功耗的新一代存储技术，目前，正在与台积电在这方面进行合作。未来，台积电在新兴存储器发展方面，工研院将会有所贡献，但具体内容并未透露。
三星在MRAM研发方面算是起步较早的厂商，2002年就开始了这项工作，并于2005年开始进行STT-MRAM的研发，之后不断演进，到了2014年，生产出了8Mb的eMRAM。
三星Foundry业务部门的发展路径主要分为两条，从28nm节点开始，一条是按照摩尔定律继续向下发展，不断提升FinFET的工艺节点，从14nm到目前的7nm，进而转向下一步的5nm。
另一条线路就是FD-SOI工艺，该公司还利用其在存储器制造方面的技术和规模优势，着力打造eMRAM，以满足未来市场的需求。这方面主要采用28nm制程。
三星28nm制程FD-SOI（28FDS）嵌入式NVM分两个阶段。第一个是2017年底之前的电子货币风险生产，第二个是2018年底之前的eMRAM风险生产。并同时提供eFlash和eMRAM（STT-MRAM）选项。
该公司于2017年研制出了业界第一款采用28FDS工艺的eMRAM测试芯片。
2018年，三星开始在28nm平台上批量生产eMRAM。2019年3月，该公司推出首款商用eMRAM产品。据悉，eMRAM模块可以通过添加三个额外的掩膜集成到芯片制造工艺的后端，因此，该模块不必要依赖于所使用的前端制造技术，允许插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工艺生产的芯片中。三星表示，由于其eMRAM在写入数据之前不需要擦除周期，因此，它比eFlash快1000倍。与eFlash相比，它还使用了较低的电压，因此在写入过程中的功耗极低。
2018年，Arm发布了基于三星28FDS工艺技术的eMRAM编译器IP，包括一个支持18FDS (18nm FD-SOI工艺)的eMRAM编译器。这一平台有助于推动在5G、AI、汽车、物联网和其它细分市场的功耗敏感应用领域的前沿设计发展。
2019年，三星发布了采用28FDS工艺技术的1Gb嵌入STT-MRAM。基于高度可靠的eMRAM技术，在满足令人满意的读取，写入功能和10年保存时间的情况下，可以实现90％以上的良率。并且具备高达1E10周期的耐久性，这些对于扩展eMRAM应用有很大帮助。
2019年底，Mentor宣布将为基于Arm的eMRAM编译器IP提供IC测试解决方案，该方案基于三星的28FDS工艺技术。据悉，该测试方案利用了Mentor的Tessent Memory BIST，为SRAM和eMRAM提供了一套统一的存储器测试和修复IP。
2017年，时任
Globalfoundries
首席技术官的Gary Patton称，Globalfoundries已经在其22FDX（22nm制程的FD-SOI工艺技术）制程中提供了MRAM，同时也在研究另一种存储技术。
由于Globalfoundries重点发展FD-SOI技术，特别是22nm制程的FD-SOI，已经很成熟，所以该公司的新兴存储技术，特别是MRAM，都是基于具有低功耗特性的FD-SOI技术展开的。
今年年初，Globalfoundries宣布基于22nm FD-SOI 平台的eMRAM投入生产。该eMRAM技术平台可以实现将数据保持在-40°C至+125°C的温度范围内，寿命周期可以达到100,000，可以将数据保留10年。该公司表示，正在与多个客户合作，计划在2020年安排多次流片。
据悉，该公司的eMRAM旨在替代NOR闪存，可以定期通过更新或日志记录进行重写。由于是基于磁阻原理，在写入所需数据之前不需要擦除周期，大大提高了写入速度，宏容量从4-48Mb不等。
英特尔也是MRAM技术的主要推动者，该公司采用的是基于FinFET技术的22 nm制程。
2018年底，英特尔首次公开介绍了其MRAM的研究成果，推出了一款基于22nm FinFET制程的STT-MRAM，当时，该公司称，这是首款基于FinFET的MRAM产品，并表示已经具备该技术产品的量产能力。
结语
由于市场需求愈加凸显，且有各大晶圆厂大力投入支持，加快了以MRAM为代表的新兴存储技术的商业化进程。未来几年，虽然DRAM和NAND Flash将继续站稳存储芯片市场主导地位，但随着各家半导体大厂相继投入发展，新兴存储器的成本将逐步下降，可进一步提升 MRAM等技术的市场普及率。
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