傳統(tǒng)存儲技術(shù)面臨著挑戰(zhàn) 也催生了新技術(shù)的出現(xiàn)

由于存儲器制程比較簡單，存儲單元均可快速被復(fù)制，可以幫助先進(jìn)制程工藝快速提升良率。所以，在過去很長的一段時(shí)間內(nèi)，存儲器都扮演著肯為先進(jìn)制程工藝成為“吃螃蟹的人”。但是，伴隨著先進(jìn)制程工藝進(jìn)入到65nm以后，相當(dāng)一部分先進(jìn)制程工藝的廠商已經(jīng)積累了足夠的經(jīng)驗(yàn)，可以跳躍過存儲器的驗(yàn)證，直接將先進(jìn)制程用于邏輯產(chǎn)品。

與此同時(shí)，伴隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的興起，使得大數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛，這些新興領(lǐng)域在不斷催促著存儲器追趕先進(jìn)制程的腳步。目前，各大存儲器大廠都在升級20nm制程，其中，DRAM、閃存和 SRAM 等傳統(tǒng)內(nèi)存仍然是市場上的主力技術(shù)。

在這個(gè)過程中，傳統(tǒng)存儲技術(shù)遇到了不少困難。其中，DRAM采用持續(xù)微縮的單元設(shè)計(jì)需要引入多重圖案化技術(shù)，并最終在批量制造中需要采用EUV光刻技術(shù)，而我們都知道EUV技術(shù)現(xiàn)在還沒有能夠大規(guī)模應(yīng)用。同樣，平面 NAND也曾面臨微縮的限制，最終采取垂直方向上的轉(zhuǎn)變，也就是現(xiàn)在市場上非常流行的3D NAND技術(shù)。

傳統(tǒng)存儲技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)，也催生了新技術(shù)的出現(xiàn)。在這種情況下，MRAM出現(xiàn)了。MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。也就是說，MRAM能夠?qū)⒋鎯ζ鞯拿芏扰cSRAM的速度相結(jié)合，同時(shí)具有非易失性和高功效。

MRAM技術(shù)始于1984年，當(dāng)時(shí)Albert Fert和PeterGrünberg發(fā)現(xiàn)了GMR效應(yīng)。 在20世紀(jì)80年代中期，支持者認(rèn)為MRAM最終將超越競爭技術(shù)，成為占主導(dǎo)地位甚至是通用的存儲器。1996年，自旋轉(zhuǎn)移力矩被提了出來，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使磁隧道結(jié)或自旋閥能夠被自旋極化電流修改?；谶@一點(diǎn)，摩托羅拉開始了他們的MRAM研究。一年后，摩托羅拉開發(fā)出一種256Kb的MRAM測試芯片。這使得MRAM技術(shù)開始走向產(chǎn)品化，隨后在2002年，摩托羅拉被授予 Toggle專利。這也是第一代MRAM，即Toggle MRAM。但是，由于第一代MRAM在先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)下耗能太高，使得MRAM的發(fā)展遇到瓶頸。

2004年，摩托羅拉將其半導(dǎo)體業(yè)務(wù)獨(dú)立出來，成立了飛思卡爾半導(dǎo)體。2006年7月，飛思卡爾開始銷售世界上第一款商用MRAM芯片。這些芯片的容量低至4Mbit，價(jià)格定在25美元。與此同時(shí)，MRAM已經(jīng)開始受到了其他廠商的關(guān)注，英飛凌、臺積電、東芝、瑞薩等等企業(yè)也開始了MRAM方面的研究。MRAM技術(shù)也得以向第二代發(fā)展，目前，主流的研究主要是TAS-MRAM和STT-MRAM。

其中之一，第二代MRAM器件使用自旋極化電流來切換電子自旋，也就是STT-MRAM。2005年，瑞薩科技與Grandis合作開發(fā)了65nm的STT-MRAM。與MRAM相比，STT-MRAM器件更快，更高效且更容易縮小。與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，STT-MRAM器件不僅能兼顧MRAM的性能，還能夠滿足低電流的同時(shí)并降低成本。

基于以上優(yōu)勢，STT-MRAM被視為是可以挑戰(zhàn)DRAM和SRAM的高性能存儲器，并有可能成為領(lǐng)先的存儲技術(shù)。尤其是在40nm以下工藝節(jié)點(diǎn)上，NOR開始暴露出很多問題，STT-MRAM被寄予厚望。市場認(rèn)為，STT-MRAM不僅在40nm節(jié)點(diǎn)下可以被利用，甚至可以擴(kuò)展到10nm以下應(yīng)用。更值得注意的是，STT-MRAM可基于現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)和工藝發(fā)展，在技術(shù)上進(jìn)行接力的難度相對較小，從而，可以直接挑戰(zhàn)閃存的低成本。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。隨著技術(shù)規(guī)模的縮小，STT-MRAM遭受嚴(yán)重的工藝變化和熱波動，這極大地降低了STT-MRAM的性能和穩(wěn)定性。對于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來說，STT-MRAM的道路依舊充滿艱難險(xiǎn)阻。

從結(jié)構(gòu)上看，STT-MRAM存儲單元的核心是一個(gè)MTJ，也就是STT-MRAM是通過MTJ來存儲數(shù)據(jù)。通常情況下，MTJ是由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個(gè)納米厚的非磁性隔離層組成，它是是通過自旋電流實(shí)現(xiàn)信息寫入的。寫入信息時(shí)需要較大的電流產(chǎn)生磁場使?MTJ?自由層磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)。隨著存儲單元的尺寸減小，需要更大的自由層磁矩反轉(zhuǎn)磁場，因此也需要更大的電流。但是，大電流不僅增加了功耗，也使得變換速度減慢，限制了存儲單元寫入信息的速度。

在CSTIC 2019上，就有專家提及，目前STT-MRAM的挑戰(zhàn)主要存在于需要更大的寫入電流、MTJ的縮放，以及如何降低誤碼率，這三者之間的平衡。

挑戰(zhàn)同時(shí)代表著機(jī)遇，STT-MRAM對各大廠商的吸引力不減。2008年，飛思卡爾將其MRAM業(yè)務(wù)獨(dú)立出來，成立了EverSpin Technologies。2014年，Everspin與Global Foundries合作，在300毫米晶圓上生產(chǎn)面內(nèi)和垂直MTJ ST-MRAM，采用40納米和28納米節(jié)點(diǎn)工藝。2017年，Everspin號稱是唯一出貨商用MRAM產(chǎn)品的公司，由此也可以看出Everspin在此方面的優(yōu)勢。2018年，Everspin還是與Global Foundries合作，推出了全球首個(gè)28 nm 1 Gb STT-MRAM客戶樣品。但我們都知道，Global Foundries已經(jīng)停止了7nm以下先進(jìn)制程的投入，著力14/12納米FinFET。而市場上對 STT-MRAM的預(yù)期卻沒有止步于12nm。接下來，EverSpin將會選擇與哪家代工廠合作？

再次回到十年前，海力士半導(dǎo)體和Grandis的合作伙伴關(guān)系也始于2008年，他們之間的合作意在探索STT-MRAM技術(shù)的商業(yè)開發(fā)。

而在上文當(dāng)中，我們曾敘述，瑞薩也曾與Grandis展開STT-MRAM相關(guān)合作，而海力士的合作伙伴同樣也是選擇了Grandis。Grandis是否能夠憑借新興技術(shù)在存儲領(lǐng)域獲得一席之地？據(jù)悉，Grandis成立于2002年，發(fā)明了第一個(gè)基于磁隧道結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移扭矩薄膜結(jié)構(gòu)，并迅速成為STT-RAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。2011年，Grandis被三星電子有限公司收購，并合并到三星的內(nèi)存業(yè)務(wù)中。三星也因此開始踏足STT-MRAM。2018年，三星電子的晶圓代工論壇期間，公司重申了其在2018年開始生產(chǎn)STT-MRAM芯片的目標(biāo)。三星表示真正的STT-MRAM大規(guī)模生產(chǎn)將始于2019年。

除了Grandis，IBM也是STT-MRAM的先驅(qū)，與英飛凌和三星合作。2016年，IBM和三星研究人員就展示了11納米級STT-MRAM。2018年，IBM展示了他們的FlashCore NVMe SSD，它提供了19 TB的閃存存儲，并使用Everspin的5-256Mb STT-MRAM芯片進(jìn)行寫入緩存和日志記錄。

除上文提到的Global Foundries和三星外，根據(jù)CSTIC 2019期間，Yole的調(diào)查報(bào)告顯示，包括臺積電、英特爾、聯(lián)電在內(nèi)的頂級晶圓廠都準(zhǔn)備好了將28/22nm嵌入式STT-MRAM用于微控制器。

2019年2月，在英國國際固態(tài)電路會議上，英特爾透露STT-MRAM技術(shù)已準(zhǔn)備好進(jìn)行批量生產(chǎn)。據(jù)報(bào)道，該公司預(yù)計(jì)將使用22nm FinFET工藝來制造存儲芯片。

2000年，臺積電就和臺工研院合作投入MRAM等次世代內(nèi)存研發(fā)。2011年，高通公司在VLSI電路研討會上也展示了采用臺積電 45納米LP技術(shù)制造的1 Mbit嵌入式STT-MRAM 。由于成本的原因，臺積電放棄過MRAM。但是，在2017年中，臺積電重返內(nèi)存市場瞄準(zhǔn)MRAM和RRAM。據(jù)DIGITIMES預(yù)測，2019年臺積電的STT-MRAM極有可能量產(chǎn)出貨。

同樣，2018年，聯(lián)電和Avalanche Technology宣布，他們已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)和生產(chǎn)28nm MRAM，以取代嵌入式閃存。聯(lián)電還將通過Avalanche Technology Inc.的許可向其他公司提供此技術(shù)。

在大陸方面，2016年兆易創(chuàng)新斥資500萬美元入股Everspin。2017年北京航空航天大學(xué)與中國科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合成功制備國內(nèi)首個(gè)80nm STT-MRAM器件。微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員趙超與北京航空航天大學(xué)教授趙巍勝的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在STT-MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實(shí)現(xiàn)了重要突破，在國內(nèi)首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm的磁隧道結(jié)，器件性能良好，其中器件核心參數(shù)包括隧穿磁阻效應(yīng)達(dá)到92%。

上海磁宇是國內(nèi)第一家MRAM產(chǎn)品研發(fā)制造公司，擁有國內(nèi)唯一的完整PSTT-MRAM材料薄膜制造設(shè)備和測試設(shè)備，及在建中12吋專用芯片制造的中試線，將用于第三和四代技術(shù)的MRAM記憶芯片的開發(fā)及量產(chǎn)。其團(tuán)隊(duì)成員來自于 Everspin 和 TDK，且同時(shí)投入獨(dú)立式（standalone）和嵌入式（embedded）兩種技術(shù)和市場策略。

浙江?？雕Y拓專注 MRAM 存儲技術(shù)發(fā)展，團(tuán)隊(duì)來自高通（Qualcomm）、西部數(shù)據(jù)等眾多半導(dǎo)體國際大廠，目前基于芯片設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩塊投入研發(fā)，可提供 STT-MRAM 技術(shù)的不同設(shè)備。

而從上面的情況來看，各大晶圓廠紛紛在2019年布局STT-MRAM量產(chǎn)計(jì)劃，并開始逐漸走向28nm以下的產(chǎn)品。但大陸方面還在40nm以上的STT-MRAM掙扎，并沒有太大的優(yōu)勢。STT-MRAM的出現(xiàn)，使得國際廠商將目光從NOR上轉(zhuǎn)移。同樣，在前不久結(jié)束的semicon 2019存儲器論壇上，也有一種聲音出現(xiàn)：NOR技術(shù)想要全面取代STT-MRAM還需要一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間差，為大陸方面發(fā)展NOR提供了機(jī)會。