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MRAM正式出貨 記憶體市場面臨改朝換代

上網時間: 2006年08月21日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:磁阻  記憶體  非揮發性  鐵電  磁性隧道結 

過去11年來,飛思卡爾半導體技術總監Saied Tehrani和他領導的MRAM開發小組經過不斷的摸索和研究,終於成功開發出一種採用磁阻技術取代電荷儲存的新型半導體記憶體

在歷經兩年來向40多家公司提供樣品後,飛思卡爾現已開始正式銷售4Mb的磁阻RAM,小量採購時單價為25美元,大量採購時價格可以再‘協商’。


圖2:飛思卡爾開始銷售由亞利桑那州Chandler晶圓廠採用8吋晶圓生產的4Mb MRAM

“從今天起,你可以直接下訂單,我們馬上就能交貨,”Tehrani表示。

雖然磁阻記憶體本身仍存在著成本與功耗挑戰,但隨著傳統電荷儲存記憶體逐漸失勢,已經有不少公司,特別是瑞薩(Renesas)、三星(Samsung)、Sony及其合作夥伴東芝和NEC電子等,均已開始在MRAM領域與飛思卡爾展開競爭。SRAM正面臨漏電流問題,DRAM的溝槽現在看來就像是‘長麵條’,而嵌入式快閃記憶體則面臨著可靠性和充電泵成本問題。特別是對嵌入式設備而言,記憶體位元的數量將遠遠超過邏輯電晶體的數量,因此對新型非揮發性記憶體的需求將持升業界對MRAM的興趣。

“飛思卡爾的成果顯示我們已經正式進入新記憶體技術時代。”Semico Research新興記憶體技術分析師Bob Merritt說,“作為具有良好製造策略的首批公司之一,飛思卡爾將促使其他公司加速研發MRAM。一旦這些公司看到MRAM的成果,將會促使他們開發其他新型記憶體,如相變、金屬與浮體記憶體等。

MRAM的非揮發性和耐久性將在行動系統中開啟全新應用,Merritt說。飛思卡爾的成果是“十年來最偉大的記憶體發明”,市調公司Forward Concepts總裁Will Strauss表示。他指出,其他新興記憶體的優勢均是從DRAM、SRAM與快閃記憶體衍生而來,其中快閃記憶體是衍生自E2PROM。

“事情充滿了變數。這是一種全新的技術,”Strauss表示。

瞄準汽車應用

在飛思卡爾的200mm Chandler晶圓廠製造的分離式4Mb MRAM僅僅揭開了MRAM發展的序幕。

Tehrani透露,飛思卡爾“並不想成為通用MRAM的供應商”。在未來的18個月到2年中,飛思卡爾計劃將MRAM推廣到汽車用微控制器中,用以取代快閃記憶體。快閃記憶體技術的可承受工作週期限制使汽車製造商的可靠性工程師們憂心忡忡。與快閃記憶體或鐵電RAM不同,MRAM可以承受無限次(1015)的工作週期。

飛思卡爾的MRAM單元是一個磁性穿隧結(MTJ),透過極薄(15埃)的絕緣層隔離兩個相對較厚的磁層。在施加電壓時,兩個磁層中的一個會反轉極性,因而使電流穿過絕緣層中的隧道。其記憶體狀態為非揮發性,其耐久性幾乎是無限的,操作速度也相當快(讀寫時間均為35ns)。快閃記憶體的讀取速度非常快,但寫入速度很慢,而MRAM的讀寫時間是一樣的,這意味著從嵌入式SRAM(斷電時會丟失資料)轉換到MRAM是相當簡單的。

儘管如此,這種方法也具有單元尺寸和寫入功率等挑戰。為確保儲存的位元具有非揮發性,電子必須克服能量阻障。如果阻障太低,位元單元就很容易受到干擾。而阻障太高的話,就需要極高的寫入功率。

目前銷售中的4Mb MRAM需要150mA的寫入電流,Tehrani認為“這與目前使用的獨立SRAM沒有多大差別。快閃記憶體的寫入時間為毫秒級,而我們的MRAM寫入一次只需35ns。與快閃記憶體相比,MRAM從電池擷取的總能量也降低了好幾個數量級。”


圖3:飛思卡爾的Tehrani:MRAM“沒有讀寫週期限制”

目前的問題仍在於成本。飛思卡爾採用的低成本濺鍍與蝕刻技術可避免採用昂貴的工具,如分子束磊晶或原子層沈積工具。

Semico的Merritt指出,MRAM相容於CMOS邏輯製程,MRAM記憶體穿隧結是在建構電晶體後的後端製作的。飛思卡爾的做法是,只有三層金屬互連沈積必須在流程後端加以修改以製作MTJ,而微控制器中的其他兩層或三層則不做任何修改。

飛思卡爾現正使用6個額外光罩層嵌入MRAM和相關邏輯電路,與需要6到10個額外光罩層在CMOS製程嵌入快閃記憶體或DRAM的方法相比,這種方法更加便利,Tehrani說。這個採用0.18um製程的4Mb分離式MRAM單元尺寸為1.26um,採用飛思卡爾的90nm製程時可微縮到0.29um,這比嵌入式DRAM大,與嵌入式快閃記憶體差不多,但比6電晶體的SRAM小,在90nm節點每位元所需的矽晶片面積為1平方微米,他表示。

某種程度上,記憶體業務的成本取決於提供產量與良率的學習。Tehrani透露,飛思卡爾剛開始生產MRAM時,每月產量僅有幾百片200mm晶圓。該公司的目標客戶範圍相當廣泛,包括在高安全性網路系統中使用電池供電的SRAM應用;在磁碟網路中儲存文件結構資料的應用;以及必須快速寫入及恢復資料的其他應用。雖然透過連接大容量電池將使SRAM具有非揮發性,但若電池漏電,這些子系統就會癱瘓,而且價格也比MRAM解決方案昂貴,他指出。

針對像RAID系統這類必須對記憶體寫入大量資料的用戶而言,MRAM具有很大的吸引力,因為MRAM“沒有讀寫週期限制”,Tehrain表示。“這種限制對快閃記憶體和某些等級的鐵電記憶體來說特別有害。”

Will Strauss指出,許多可攜式系統使用快閃記憶體儲存程式碼和資料,然後在作業過程中再將資料寫入SRAM或DRAM。在用MRAM取代這些記憶體後,他表示,“用戶可以用比多數快閃記憶體更快的速度在MRAM中直接執行程式。其功耗也更低,因為快閃記憶體需要很大的電荷泵,而這些電荷泵很難用CMOS製程整合。”

雖然許多公司透過開發耗損等級技術,已學習到在快閃記憶體中故障容許機制的存在,但MRAM擁有比快閃記憶體更高的可靠性,Strauss表示。“MRAM將帶來新商機,包括用於高性能DSP。”

高溫下的可靠性

電池供電裝置的SRAM市場很小,每年用量不超過2億美元,Tehrani指出。但它提供了向更大市場發展的橋樑:數十億美元的汽車微控制器市場。

飛思卡爾目前銷售的4Mbit MRAM可在商業溫度範圍(約0℃到70℃)內保證正常工作。該公司下一步將提供能在工業溫度範圍內操作的晶片,這些晶片必須能在-40℃到105℃範圍內保證連續工作。

汽車溫度‘模式’要求引擎控制器等晶片能在正常壽命期內承受住一定時間的超高溫度考驗。溫度上限正不斷提高,從現在的150℃到更高要求的170℃上限,並需要持續一定的時間。因此,飛思卡爾要達到汽車製造商的目標還需要做更多的工作,如針對高溫下的電流漂移對設計進行調整,並使製程更具強韌性。

在去年舉行的國際可靠性實體學研討會上,飛思卡爾公佈了早期的可靠性資料,該資料顯示可以達到10年的資料保持水準。“我們很高興能達到目前為止最高的可靠性水準,隨著朝向工業和汽車溫度範圍發展,我們的產品性能還將不斷得到提升,”Tehrani表示。

飛思卡爾的運輸與標準產品部門資深副總裁兼總經理Paul Grimme指出,MRAM還能整合磁感測器,這種混合產品將可為更廣闊的市場提供服務,也能嵌入到需要板上記憶體的類比元件上。該公司正研究整合被動元件與MRAM的可行性。

轉矩技術發展藍圖

長遠來看,飛思卡爾正研究用氧化鎂取代目前使用的氧化鋁實現穿隧層。這樣做雖然不會改善寫入功耗,但可以降低讀取位元所需的功耗。

“氧化鎂能在兩種狀態間提供更大的訊號。訊號幅度增大後能大幅提升讀取速度,”Tehrani說。“公司還未做出最後決定。我們必須確保採用氧化鎂後仍具有可接受的可靠性能。不過我們相信這只是時間問題。”

更新的技術是轉矩(spin-torque)技術,Tehrani表示,“這種技術無疑有助於減少寫入電流。”目前使用的磁性穿隧結透過頂層和底層的金屬線產生局部電流。而在採用轉矩MTJ時,電流將直接流經磁性層堆疊實現位元的開關。雖然轉矩技術將隨著MRAM技術的發展而日益普及,但在可靠性方面仍需進一步努力。

“下一代記憶體擁有極大商機,”Tehrani表示,“不過要使轉矩技術適合生產還有許多值得改進的地方。由於有電流經過隧道阻障,我們必須確保穿隧結在流經這些較大電流時具有較高的可靠性。”

作者:來大偉




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