来源：本文由电姬翻译自
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作者Mark Lapedus ，
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有四家主要的代工厂计划在今年或明年以嵌入式内存解决方案的形式提供 MRAM，为这项下一代内存技术设置了最终将变革市场格局的舞台。
GlobalFoundries、三星、台积电和联电计划开始提供自旋转移力矩磁阻 RAM（spin-transfer torque magnetoresistive RAM，简称 ST-MRAM 或 STT-MRAM）作为 NOR 闪存的替代或 NOR 闪存之外的另一种选择，也许在今年年底就要开始施行。这代表着内存市场的一次巨大转向，因为到目前为止仅有 Everspin 在为各种应用提供 MRAM 产品，其中包括替代电池供电的 SRAM、写缓存（write-cache）等等。
STT-MRAM 的下一个大机会是嵌入式内存 IP 市场。传统的嵌入式内存 NOR 闪存在从 40nm 向 28nm 及以后节点迁移时正遇到各种各样的问题。所以这些代工厂对 STT-MRAM 的支持会让这项技术成为先进节点上对传统技术的事实上的替代技术。
STT-MRAM 使用电子自旋的磁性来提供芯片的非易失性。结果上看，它既有 SRAM 的速度，也有闪存的非易失性。可能甚至更重要的是它还具有近乎无限的耐久性。
“嵌入式闪存将继续是严酷环境中的数据存留之王，尤其是对于汽车和安全应用。”GlobalFoundries 嵌入式内存副总裁 Dave Eggleston 说，“那是嵌入式闪存还将继续长寿的领域。但它的扩展性不是很好。随着你下降到 28nm 或更小的节点，嵌入式闪存实际上就成了一个成本高昂的选择。”
所以行业需要一种新的解决方案，而 STT-MRAM 也恰好为 20 几纳米及以后节点的嵌入式内存应用做好了准备。“在用于汽车、物联网、消费电子和移动设备的 MCU 和 SoC 上，嵌入式 STT-MRAM 有很大的机会替代嵌入式闪存。”Web-Feet Research 首席执行官 Alan Niebel，“首先补充然后替代嵌入式 DRAM 和 SRAM 也是 MRAM 的一大机会，因为 MRAM 能为处理器增加持久性的能力。”
但是，STT-MRAM 能否实现人们期待已久的完全替代 DRAM 的愿景？这还有待观察。这可能永远不会发生。不管怎样，MRAM 可能最终会成长为一个大市场，也可能只是一种利基的解决方案；究竟会怎样取决于几个因素。
在乐观的一面，很快就将有不止一家供应商和一系列应用可以使用 STT-MRAM 了。此外，主要代工厂进军 STT-MRAM 领域的举动很可能将会助力这种技术实现规模经济和成本下降。
但这种技术也面临着一些难题，因为并非所有代工客户都需要 22nm 及以后节点的芯片。此外，STT-MRAM 是一种相对较新的技术，客户还需要一些时间才能将其整合进来。另外也还有各种生产制造方面的难题需要解决。
自 1990 年代以来，MRAM 就一直是人们研发的几种下一代内存技术类型之一。这些都是能提供无线耐久性的非易失性技术。和闪存一样，它们可以在系统电源关闭之后保留数据。相反，DRAM 是易失性的，在电源关闭后会丢失数据，尽管其中的信息会在之前迁移到存储设备中。
除了 MRAM 之外，其它下一代内存技术包括碳纳米管 RAM、铁电 RAM（FRAM）、相变 RAM 和电阻 RAM（ReRAM）。
碳纳米管 RAM 使用纳米管在器件中形成电阻状态。而 FRAM 使用铁电电容器（ferroelectric capacitor）来存储数据。来自英特尔和美光的 3D XPoint 技术就是下一代相变内存的一种。另一种技术 ReRAM 则基于电阻元件构成的电子开关。
尽管这些技术很有希望，但其中很多技术所需的开发时间超过了预期。联电（UMC）嵌入式非易失性内存助理副总裁 Yau Kae Sheu 说：“大部分这些全新的内存技术都已经研发了相当长时间了，但和传统内存技术竞争时，它们还是在成本和可扩展性上捉襟见肘。”
很显然，DRAM、闪存和 SRAM 等传统内存仍然是市场上的主力技术。在当今系统中的内存层次结构中，SRAM 在处理器中被用作实现高速数据存取的缓存；DRAM 是下一层，用作主内存。而磁盘驱动器和基于 NAND 的固态存储驱动器（SSD）则用于存储。
当今的内存市场正在蓬勃发展，尤其是对于 3D NAND。Tokyo Electron Ltd.（TEL）总裁兼首席执行官 Toshiki Kawai 在最近一场演讲中说：“推动力来自数据中心对 SSD 的需求。”
这也助长了对晶圆厂设备（WFE）的需求。Kawai 说：“受对下一代 3D NAND 和先进逻辑的投资推动，2017 年 WFE 资本性支出预计将同比增长 10% 以上。”
与此同时，几种下一代内存类型也开始迎来发展势头。目前，3D XPoint 和 STT-MRAM 可能发展势头最好，而碳纳米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 尚待羽翼丰满。
这些技术中大部分甚至全部都很可能找到某种程度的应用空间。并没有任何一种单一的技术能够满足所有需求。Coventor 首席技术官 David Fried 说：“现在有ReRAM、PCM、3D XPoint 和 STT-MRAM，哪种技术会是赢家？它们都可能在特定的应用中找到自己的家园。”
比如说 MRAM 就已经找到了自己的市场位置。在传统内存中，数据以电荷的形式存储。而 MRAM 则使用磁隧道结（MTJ）内存单元作为存储元件。Everspin 总裁兼首席执行官 Phillip LoPresti 说：“我们使用磁性或操控电子自旋来控制位（bit）的电阻，这让我们可以编程 1 和 0。”
Everspin 的第一款 MRAM 器件称为 toggle MRAM，面向基于 SRAM的电池备份市场。然而今天内存行业重点关注的下一代技术名叫 perpendicular STT-MRAM 或 ST-MRAM。
图 1：ST-MRAM 技术，来自 Everspin
Applied Materials 的 Silicon Systems Group 内存和材料总经理 Er-Xuan Ping 说：“STT-MRAM 使用直接穿过该单元的电流。它使用自旋极化的电流，从而可以基本上迫使该薄膜中的磁化强度发生改变。”
toggle MRAM 在这一领域得到了广泛的应用，但它们也有一些扩展方面的局限性。“STT-MRAM 有一些优势。其中之一是扩展性。”Ping 说，“相对于传统 MRAM，STT-MRAM 也有其它优势，因为你让电流直接穿过了单元。使用这种能量来开关磁化要更加高效。比磁场驱动的 MRAM 要更加高效很多。”
高通工程总监 Seung Kang 在最近的一场演讲中列出了 STT-MRAM 的一些关键特性：
图 2：1T-1MTJ pSTT-MRAM 架构，来自 GlobalFoundries
但 STT-MRAM 也面临着以下难题：
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复杂的薄膜堆叠方式；
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较窄的传感区间
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回流焊接滞留
但 Everspin 已经销售 MRAM 一段时间了，其中包括一款 256 Mb 的 perpendicular STT-MRAM。这款产品基于其代工合作伙伴 GlobalFoundries 的 40nm 工艺。Everspin 正在抽样生产基于 28nm 的 1 Gb 部件。
作为与 Everspin 的授权交易的一部分，GlobalFoundries 正在为其即将到来的 22nm FD-SOI 平台开发嵌入式 STT-MRAM。这家代工厂还计划之后继续为其 12nm FD-SOI 工艺以及 14nm 和 7nm finFET 工艺开发嵌入式 MRAM。
GlobalFoundries 很快就会有其它伙伴了。三星、台积电和联电都各自在为自己的嵌入式客户开发这项技术。三星有自己的 IP，其它几家则在于各种伙伴合作。
从 Everspin 的立场来看，这家公司可能很欢迎竞争。“从我们的角度看，这都很有好处。”Everspin 的 LoPresti 说，“这证明了这个产业。这也将加速实现生产设备的规模经济。如果（代工厂）要推出 MRAM，那就意味着它们会向生产工具的公司要求能实现高产量和投资回报率的生产工具。”
除了 Everspin 和代工厂，英特尔、美光和东芝-SK海力士组合都有在 MRAM 方面的研发投入。同时，Avalanche、Crocus 和 Spin Transfer Technologies 等几家创业公司也在开发这项技术。
对大多数公司来说，生产 MRAM 说说就好，实际做起来却更难。MRAM 涉及到开发新的材料、集成方法和设备。
它的工艺流程也与传统内存的不一样。一般而言，MRAM 工艺是从传统晶圆厂开始的，代工供应商会在这里生产带有电路的标准 CMOS 晶圆，这就是所谓的生产线前道工序（FEOL）。其中的电路可以集成一种晶体管方案或一个微控制器（MCU）这样的器件。
然后，该器件和/或一个基板会被送到被称为生产线后道工序（BEOL）的另一处晶圆厂设施。在这里，金属层和微细的铜导线会被加工装配到该器件上。
STT-MRAM 是在晶圆厂的 BEOL 工序中生产制造的。实际上，STT-MRAM 内存层构建于芯片中一个金属层的触点或通孔之上，比如 M4 或其它金属层。
图 3：嵌入式 MRAM，来自 Everspin
DRAM 和闪存则相反，是在内存晶圆厂的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中，传统内存加工时的温度更高。
而对于 MRAM，因为磁性薄膜很薄，无法承受更高的温度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，这时候的温度要低得多。Applied 的 Ping 说：“磁性薄膜非常薄，你不能给它提供非常高的温度。”
生产制造 STT-MRAM 是一个精细的过程。如果步骤不准确，就会出问题。短缺的情况常常发生，就会影响产量。解决缺陷问题也很具挑战性。
首先，STT-MRAM 在以下部分需要三个掩模步骤：底部电极、顶部电极和 MTJ 单元。第一步是沉积一层薄层材料，这会成为底部电极。然后就会遇到第一个难点——形成薄膜的堆叠。这种薄膜堆叠可能有 20 到 30 层。方法就是高精度地一层一层地沉积这些薄膜。
Ping 说：“这是一种非常薄的膜，厚度只有几埃。你要将它们堆叠起来以实现磁化作用的最大化。”
在某些情况下，STT-MRAM 是在一个使用各种工艺模组的封闭的集群工具中制造的。这些模组包含用于物理气相沉积（PVD）、退火和离子束蚀刻的专门腔室。
如果这种薄膜堆叠暴露在空气中，就会出现问题。“你需要在同一台机器中蚀刻和封装它。”Lam Research 副总裁 Thorsten Lill 说，“你不能将晶圆暴露在空气中。”
STT-MRAM 包含一个 MTJ 内存单元。MTJ 使用了基于氧化镁（MgO）的薄介电隧道势垒薄膜，它被夹在两层基于硼铁化钴（CoFeB）化合物的铁磁层之间。在工作时，电流会流过仅有大约 10 埃厚度的 MgO 薄膜。据 Applied Materials 的数据，CoFeB 层的厚度为 10 到 30 埃。
图 4：pMTJ 薄膜堆叠细节。(b) 和 (c) 展示了 pMTJ 阵列的横截面和顶视图，来自Applied Materials
在晶圆厂中，这种堆叠可以进行调节。Lam 的 Lill 说：“关于 MRAM 的有趣之处在于根据你构建这种堆叠的方法的差异，你可以得到更低或更高温度的器件。你可以让它像闪存或 SRAM。所有这些都可以通过调整这种堆叠办到。”
