嵌入式存儲的下一步：STT-MRAM

MRAM，即磁阻式隨機訪問存儲器的簡稱，兼?zhèn)銼RAM的高速讀寫性能與閃存存儲器的非易失性。STT-MRAM是通過自旋電流實現(xiàn)信息寫入的一種新型MARM，屬于MRAM的二代產(chǎn)品，解決了MRAM寫入信息存在的問題。

STT-MRAM存儲單元的核心仍然是一個MTJ（磁性隧道結），由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成，它是通過自旋電流實現(xiàn)信息寫入的。目前，STT-MRAM已經(jīng)從幾家代工廠（GlobalFoundries、英特爾、三星、臺積電和聯(lián)電）中脫穎而出，成為一種非常有吸引力的IP選擇。

STT-MRAM具有以下幾個出色的特性：

• 儲存時間長
• 高密度
• 隨機訪問
• 接近零泄漏功率
• 低寫誤碼率

STT-MRAM的開發(fā)步驟包括以下幾項：
第一步是材料的堆棧工程——例如，晶體結構、原子組成、厚度和每個層邊界的界面特性。需要通過詳細的“自旋極化”計算確定以下材料特性：

• 磁各向異性 (K)
• 磁飽和 (Ms)
• 隧道磁阻性（TMR）

第二步是擴展電子級、“基態(tài)、零K”材料模擬。

第三步是將 MTJ 物理維度引入到工藝開發(fā)中。下圖說明了磁性“耦合場”在制造后如何存在于錐形、非完全圓柱形 MTJ 中。

最后一步是將之前對材料、溫度相關性和 MTJ 尺寸的分析抽象為合適的“緊湊型器件模型”， MRAM陣列設計人員可以用陣列解碼的 SPICE 模型結合位單元存取晶體管、寫入驅(qū)動器和讀取傳感設備。

與當前的嵌入式閃存相比，STT-MRAM 在以下幾個方面都具有優(yōu)勢：

• 耐久性（讀/寫周期數(shù)）
• 數(shù)據(jù)保留（非易失性陣列存儲）
• 讀/寫循環(huán)性能
• 成本

所有這些特性優(yōu)勢都是在嚴格的環(huán)境條件下應用，例如-40℃~125℃——對應于帶有eMRAM IP的工業(yè)應用SoC。

制造方式實際上也是STT-MRAM優(yōu)于閃存的點。以臺積電32Mb嵌入式STT-MRAM為例，閃存需要12個或更多額外的掩模，只能在硅基板上實現(xiàn)，并且以頁面模式寫入。由于MTJ器件能夠通過三個左右額外的掩膜嵌入芯片的線路后端（BEOL）互連層，因此STT-MRAM在后段（BEOL）金屬層中實現(xiàn)僅需要2-5個額外的掩模，并且可以以字節(jié)模式寫入。

將STT-MRAM與最新的通用存儲候選進行比較，STT-MRAM的讀寫時間分別為2和20 ns，而相變RAM（PRAM）的讀取時間為20~50ns，寫入的時間為30ns。此外，STT-MRAM的耐久性也是要優(yōu)于PRAM的。

當然STT-MRAM也有自身的一些問題。在基于STT-MRAM的許多應用中，磁場干擾是一個潛在的問題。因此 STT-MRAM 陣列的磁抗擾度 (MI) 是一個新的可靠性參數(shù)。在最近的 2021 年 VLSI 研討會上，GLOBALFOUNDRIES 的 MRAM 負責人 Vinayak Bharat Naik 解讀了采用 22FDX-SOI 工藝技術制造的 MRAM 陣列的磁抗擾度實驗分析結果。值得注意的是，該技術還具有非常吸引人的 RF 特性。因此，可能存在帶有電感元件的片上 RF IP，即便這些電感元件會發(fā)出顯著的場強。下面看看STT-MRAM對于外部場強和片上場強的反應。

外部場強源自 SoC 封裝之外。Vinayak 展示了應用于 STT-MRAM 測試站點的實驗設置和 MI 分析結果。下圖顯示了（ECC 校正的）存儲器讀寫 BER 為零，活動 MI 大于 250 Oe。

另外，Vinayak 還強調(diào)，MTJ 層內(nèi)磁化疇的各向異性表明外部磁場和 STT-MRAM 測試點表面之間的入射角可能會影響抗干擾性。

SoC 芯片內(nèi)的抗磁性能有兩個方面：

• 源自電感線圈的場，例如用于LC諧振電路，導致STT-MRAM錯誤率。
• 源自MTJ陣列本身的場，影響LC槽功能。

Vinayak 分享了分析數(shù)據(jù)，顯示感應線圈的磁場強度與分離距離的關系，如下所示。右上方的圖表顯示了源自嵌入式 STT-MRAM 陣列的磁場。在示例中，MRAM陣列場非常小，因此對LC諧振回路振蕩頻率的影響可以忽略不計。

嵌入式MRAM 確實引入了一個新的可靠性問題——陣列對來自 SoC 封裝外部或芯片上電感電路的磁場的“抗擾度”。在制造環(huán)節(jié)，為了解決磁干擾性問題，制造商選擇在封裝上沉積0.3mm厚的磁屏蔽層。實驗表明在移動設備的商用無線充電器的磁場強度為3500Oe的情況下，暴露100小時的誤碼率可以從> 1E6 ppm降低到1ppm。另外，在650 Oe的磁場下，在125°C下的數(shù)據(jù)保存時間超過10年。

目前MRAM軟件技術正在世界各地的實驗室中開發(fā)，但是隨著STT-MRAM產(chǎn)品成本的降低，無論是嵌入式產(chǎn)品還是獨立產(chǎn)品，MRAM軟件技術都可能成為MRAM取代最快的靜態(tài)隨機存取存儲器應用的手段，提供更高的非易失性存儲器密度。

談到應用，STT-MRAM可以在許多嵌入式應用中替代NOR閃存和SRAM。非易失性存儲使用NOR閃存存儲代碼，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM充當緩沖區(qū)或高速緩存。例如低端手機同時使用NOR和SRAM，可以很容易地用單個STT-MRAM芯片替換它們。

同時，STT-MRAM具有重要的軍事應用，在抗惡劣環(huán)境高性能計算機、軍用衛(wèi)星、導彈、火箭、航天飛行器控制和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中都需要具有超高密度、超大容量、超低能耗、隨機存儲、非易失性、結構簡單、抗輻照能力強等優(yōu)點的存儲器系統(tǒng)，這些特性STT-MRAM都具備。

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