[原创] 走向MCU的新型存储
2021-01-30
14:00:02
来源: 半导体行业观察
今天我们来聊下新兴的非易失性存储器（eNVM）的进展，在谈eNVM之前，就不得不先谈起嵌入式闪存（eFlash）。
现在几乎所有的MCU细分市场现在都使用eFlash解决方案。什么是嵌入式闪存？内置微控制器、SoC等元件的闪存一般为称为“嵌入式闪存”。它与独立式（Standalone）存储器的最大区别在于是否将CMOS 逻辑作为平台。
摩尔定律的趋势要求晶体管不断的向更小尺寸微缩，但嵌入式闪存的微缩化正在逼近极限。这主要是因为闪存的微缩化步伐赶不上CMOS 逻辑的微缩化。我们都知道，当下CMOS 逻辑量产的最先进技术节点为5纳米，而闪存微控制器的量产代际还停留在40纳米节点，加工尺寸的差距为8倍，技术代际的差距也至少有四代（假设代际区间为：7纳米时代、14纳米时代、28纳米时代）。
与普通的逻辑半导体相比，由于嵌入式闪存的存储单元采用具有特殊构造的晶体管，在读写方面需要较高的电压，理论上来讲不易实现微缩化。此外，22纳米世代以后CMOS 逻辑的晶体管全部立体化，为FinFET。用于嵌入式闪存的晶体管的研发技术极其困难。
于是，人们正在积极研发能够替换嵌入式闪存的非易失性存储技术（eNVM技术），包括相变存储器（PCM），自旋转移转矩随机存取存储器（STT-RAM）、电阻式随机存取存储器（RRAM），以及英特尔的Optane等等。嵌入式非易失性存储半导体（eNVM）技术的优势主要有两点：首先，在生产多层线路时就将存储元件埋入，不受晶体管技术的限制。其次，与闪存相比，读写所需电压较低。因此，就28纳米以后的技术世代而言，eNVM技术有望代替eFlash技术。
eNVM技术的最有力后补技术为STT-MRAM技术。而几大晶圆厂也在积极拥抱eMRAM技术。在ISSCC 2020上，台积电介绍了其32Mb MRAM的进展；2020年3月，晶圆大厂格芯宣布，其22nmFD-SOI 平台的嵌入式eMRAM已投入生产；2019年3月，三星推出首款商用eMRAM产品；英特尔也发布过关于MRAM研究的新论文。
按说STT-MRAM技术应是各大MCU厂商的头道菜，因为eMRAM比eFlash更快，更省电。不同于eFlash是一种前端技术，eMRAM的磁性存储元件搭建于后端金属层上，这就利于将其集成逻辑制程，FD-SOI不会对前端晶体管造成影响。但是，事情的发展却不是如此！ePCM技术却率先登上MCU舞台。
根据pc.watch的报道，令人意外的是，在28纳米世代以后的生产技术中，微控制器厂家率先发布的eNVM技术并不是STT-MRAM，而是ePCM（ePCM，Phase Change Memory）。微控制器厂家巨头意法半导体在2018年12月发布称，研发了一项车载嵌入式相变化存储半导体，可代替28纳米逻辑。
后来在2019年2月，意法半导体又宣称，开始量产28纳米世代的32bit微控制—-“Stellar”系列。“Stellar”系列不采用嵌入式闪存，作为42MB的微控制器，可内置容量极大的嵌入式PCM。首代产品内置了16MB的大容量PCM，内置了6核Arm Cortex-R52（最大作业周波数400MHz）、8MB的RAM。工作温度范围：-40℃～+165℃，满足车载信赖性要求“0”（Auto Grade 0）。工艺技术采用28纳米世代的FD-SOI CMOS技术。
车载32bit微控制器“Stellar”系列的概要。（图片出自：意法半导体公示资料。）
通过pc.watch的报道我们发现，ePCM技术的优势在于存储元件的结构较简单。仅包含上下电极、且层数在五层以下。然而，STT-MRAM技术下的存储元件结构复杂、层数至少在10层左右。以上这种差异会直接影响产量。
此外，从外部施加磁性（用途为电机控制方向）时，ePCM技术不需要防护罩（Shield）。STT-MRAM技术下，仅靠硅片的话，抗磁性较弱。在电机控制方面，有些使用场景下会需要使用磁性防护层的封装模式。这会增加封装的成本。
一直以来人们普遍认为PCM技术不适用于车载半导体。PCM是利用被称为“Chalcogenaide”的化合物（合金）在结晶状态和非结晶状态（Amorphous）时巨大的导电性差异来存储数据的。
通过控制加热和冷却来改变化合物的状态变化。转为非结晶状态（数字“0”）的动作被称为“重启（Reset）”。在“重启（Reset）”动作下，在极短的时间内对“Chalcogenaide”合金进行迅速高温加热、并在极短的时间内迅速使其冷却。转为结晶状态（数字“1”）的动作被称为“启动（Set）”。在“启动（Set）”动作下，对“Chalcogenaide”合金以稍长的时间、较低的温度进行加热，且以稍长的时间慢慢使其冷却（此处的时间和温度是相对于“重启”的）。
相变化存储半导体（PCM）的存储结构（概念图）。“Chalcogenaide”化合物的薄膜与加热器的金属膜通过上下电极连接。“Chalcogenaide”合金在结晶状态下电阻低、在非结晶状态下的电阻较高。（图片出自：pc.watch）
相变化存储半导体（PCM）的存储原理。通过控制加热&冷却的温度和时间，反复循环非结晶状态（左侧）和结晶状态（右侧）。（图片出自：意法半导体公开资料。）
标准情况下，PCM中采用的“Chalcogenaide”化合物为Ge2Sb2Te5，且Ge（锗）、sb（锑）、Te（碲）以2:2:5的比例混合。多被表示为“GST-225”、“GST225”。“GST-225”的相变化需要的时间极短，为数十ns（纳秒），相变化次数为100万甚至更多。
GST-225的结晶温度较低，为150度，那么采用了GST-225的PCM的使用温度上限则为+100度左右。因此，可用于消费类电子（因为其温度的使用上限为+70度或85度），但是，很难应用于上限温度为+105度的工业领域。更无法应用于上限温度为+125度、+150度的车载方面。以上是关于PCM的常识。
超耐热PCM材料的发明颠覆了PCM的以上常识。意法半导体研发了一款结晶温度更高的GST材料，此款材料具有较高的Ge（与GST-225相比）含量，并应用到了嵌入式PCM（意法半导体内部称之为“Ge Rich GST”或者“T合金”）。“Ge Rich GST”的结晶温度高达+370度。运用此次研发成果，使满足车规半导体信赖性级别“0”（Auto Grade 0)的PCM内置微微控制器的量产得以实现。
满足车载半导体信赖性级别“0”的嵌入式PCM材料（e PCM）的概要。（图片出自：意法半导体公示资料。）
此外，意法半导体还在2020年12月召开的国际学会---IEDM 2020上公布了将存储单元格面积减半的嵌入式PCM技术（ePCM）。意法半导体在2018年12月召开的IEDM 2018上公布的第一代ePCM技术，其存储单元格的面积是0.037²um。
在2020年12月的IEDM上发布的ePCM技术（姑且称之为“第二代”）的存储单元格面积极小，为0.019²um。在以往的国际学会、学会论文中公布的所有嵌入式非易失性存储半导体中（包含嵌入式闪存），0.019²um是面积最小的。二代存储单元格的面积仅为第一代的53%。CMOS 逻辑虽然也采用了同样的生产技术（28纳米世代的FC SOI CMOS 工艺），但ePCM技术下的存储单元格面积减小了几乎一半。
上图是存储容量达16MB（128Mbit）的嵌入式PCM micro硅片图片。左侧是IEDM 2018上发布的第一代产品、右侧是IEDM 2020上发布的第二代产品。二者都出自IEDM论文。但是，左右两图的缩小比例不一致。
第一代和第二代的最大区别在于单元选择器和选择器的分离。第一代的选择器为n 型channel MOS FET。由于是FD SOI，因此即使施加Back Body Bias，存储单元选择器还是标准的。
在第二代中，由于存储单元选择器较小，因此单元选择器为纵型pnp 双极晶体管（Bipolar Transistor）。FD SOI的p阱（Well）为集电极（Colletcor）、n阱为基极（Base）、p型扩散层为发射极（Emitter）。为了能够与CMOS Logic进行工艺互换，留下了与n Channel MOS同样的虚拟栅极(Dummy Gate)。
此外，采用极其浅的沟槽（被称为SSTI，Super-Shallow Trench Isolation）来分离位线（BitLine）间的元件，因此缩短了位线间的距离。每4根位线汇集在一起，且通过SSTI与其他位线相分离。就字线的元件分离而言，与之前一样，采用STI（Shallow Trench Isolation）。通过以上努力，大幅度缩短了存储单元的面积。
意法半导体研发的嵌入式PCM（ePCM）技术比较。（表格出自：笔者根据IEDM上发布的论文、演讲内容制作了此表。）
在IEDM 2020上，有论文和演讲中提到了16MB Macro的生产良率随时间的变化情况，良率已经几乎接近100%。即，在ePCM的生产中，在CMOS 逻辑上追加的薄膜仅有两片。
运用第二代ePCM技术生产的16MBMacro的良率推移表，可以看出良率几乎接近100%。（图片出自：IEDM 2020发布论文。）
虽然ePCM技术确实取得了一定的进展，包括在材料以及面积上等等，但是，要将ePCM技术推广到半导体市场上，还有一些不确定因素。意法半导体尽管在从事着28纳米世代的FD SOI CMOS逻辑的代工业务，但不确定其是否会提供ePCM技术。
另一方面，如上文所提到的，由于已经有多家经验丰富的Foundry企业同时提供28纳米世代和22纳米世代的逻辑半导体，因此从微控制器厂家、半导体控制器厂家的立场来看，嵌入式STT-MRAM技术使用起来更容易些。
所以，目前，尚不清楚哪种存储技术将成为这场战斗的赢家，因为一项技术的推动需要芯片制造商、技术许可方、晶圆代工厂，工具和设备制造商等多个产业链的支持才行。
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