台积电(TSMUS)布局新存储技术

近年来,在人工智能(AI)、5G等推动下,以MRAM(磁阻式随机存取存储器)、铁电随机存取存储器 (FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM),以及可变电阻式随机存取存储器(RRAM)为代表的新兴存储技术逐渐成为市场热点。这些新技术吸引各大晶圆厂不断投入,最具代表性的厂商包括台积电、英特尔、三星和格芯(Globalfoundries)。

那么,这些新兴存储技术为什么会如此受期待呢?主要原因在于:随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进,传统的DRAM和NAND Flash面临越来越严峻的微缩挑战,DRAM 已接近微缩极限,而NAND Flash则朝3D方向转型。

此外,传统存储技术在高速运算上也遭遇阻碍,处理器与存储器之间的“墙”成为了提升运算速度和效率的最大障碍。特别是AI的发展,数据需求量暴增,“墙”的负面效应愈加突出,越来越多的半导体厂商正在加大对新兴存储技术的研发和投资力度,寻求成本更佳、速度更快、效能更好的存储方案。

从目前来看,最受期待的就是MRAM,各大厂商在它上面投入的力度也最大。MRAM属于非易失性存储技术,是利用具有高敏感度的磁电阻材料制造的存储器,断电时,MRAM储存的数据不会丢失,且耗能较低,读写速度快,可媲美SRAM,比Flash速度快百倍,在存储容量方面能替代DRAM,且数据保存时间长,适合高性能应用。

MRAM的基本结构是磁性隧道结,研发难度高,目前主要分为两大类:传统MRAM和STT-MRAM,前者以磁场驱动,后者则采用自旋极化电流驱动。

另外,相较于DRAM、SRAM和NAND Flash等技术面临的微缩困境,MRAM可满足制程进一步微缩需求。目前,DRAM制程工艺节点为1X nm,已接近极限,而Flash走到20 nm以下后,就朝3D制程转型了。MRAM制程则可推进至10nm以下。

在过去几年里,包括台积电、英特尔、三星、格芯等晶圆代工厂和IDM,相继大力投入MRAM 研发,而且主要着眼于STT-MRAM,也有越来越多的嵌入式解决方案诞生,用以取代Flash、EEPROM和SRAM。

早在2002年,台积电就与中国台湾地区工研院签订了MRAM合作发展计划。近些年,该公司一直在开发22nm制程的嵌入式STT-MRAM,采用超低漏电CMOS技术。

2018年,台积电进行了eMRAM芯片的“风险生产”,2019年生产采用22nm制程的eReRAM芯片。

2019年,台积电在嵌入式非易失性存储器技术领域达成数项重要的里程碑:在40nm制程方面,该公司已成功量产Split-Gate(NOR)技术,支持消费类电子产品应用,如物联网、智慧卡和MCU,以及各种车用电子产品。在28nm制程方面,该公司的嵌入式快闪存储器支持高能效移动计算和低漏电制程平台。

目前,台积电已经完成22nm嵌入式STT-MRAM技术验证,进入量产阶段。在此基础上,该公司还在推进16 nm 制程的STT-MRAM研发工作。

除了MRAM,台积电也在进行着ReRAM的研发工作,并发表过多篇基于金属氧化物结构的ReRAM论文。

本周,台湾地区工研院电光所所长吴志毅表示,由于新兴存储技术将需要整合逻辑制程技术,因此现有存储器厂商要卡位进入新市场,门槛相对较高,而台积电在这方面具有先天优势,因为该公司拥有很强的逻辑制程生产能力,因此,台积电跨入新兴存储市场会具有竞争优势。

据悉,台湾地区工研院在新兴存储技术领域研发投入已超过10年,通过元件创新、材料突破、电路优化等方式,开发出了更快、更耐久、更稳定、更低功耗的新一代存储技术,目前,正在与台积电在这方面进行合作。未来,台积电在新兴存储器发展方面,工研院将会有所贡献,但具体内容并未透露。

三星在MRAM研发方面算是起步较早的厂商,2002年就开始了这项工作,并于2005年开始进行STT-MRAM的研发,之后不断演进,到了2014年,生产出了8Mb的eMRAM。

三星Foundry业务部门的发展路径主要分为两条,从28nm节点开始,一条是按照摩尔定律继续向下发展,不断提升FinFET的工艺节点,从14nm到目前的7nm,进而转向下一步的5nm。

另一条线路就是FD-SOI工艺,该公司还利用其在存储器制造方面的技术和规模优势,着力打造eMRAM,以满足未来市场的需求。这方面主要采用28nm制程。

三星28nm制程FD-SOI(28FDS)嵌入式NVM分两个阶段。第一个是2017年底之前的电子货币风险生产,第二个是2018年底之前的eMRAM风险生产。并同时提供eFlash和eMRAM(STT-MRAM)选项。

该公司于2017年研制出了业界第一款采用28FDS工艺的eMRAM测试芯片。

2018年,三星开始在28nm平台上批量生产eMRAM。2019年3月,该公司推出首款商用eMRAM产品。据悉,eMRAM模块可以通过添加三个额外的掩膜集成到芯片制造工艺的后端,因此,该模块不必要依赖于所使用的前端制造技术,允许插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工艺生产的芯片中。三星表示,由于其eMRAM在写入数据之前不需要擦除周期,因此,它比eFlash快1000倍。与eFlash相比,它还使用了较低的电压,因此在写入过程中的功耗极低。

2018年,Arm发布了基于三星28FDS工艺技术的eMRAM编译器IP,包括一个支持18FDS (18nm FD-SOI工艺)的eMRAM编译器。这一平台有助于推动在5G、AI、汽车、物联网和其它细分市场的功耗敏感应用领域的前沿设计发展。

2019年,三星发布了采用28FDS工艺技术的1Gb嵌入STT-MRAM。基于高度可靠的eMRAM技术,在满足令人满意的读取,写入功能和10年保存时间的情况下,可以实现90%以上的良率。并且具备高达1E10周期的耐久性,这些对于扩展eMRAM应用有很大帮助。

2019年底,Mentor宣布将为基于Arm的eMRAM编译器IP提供IC测试解决方案,该方案基于三星的28FDS工艺技术。据悉,该测试方案利用了Mentor的Tessent Memory BIST,为SRAM和eMRAM提供了一套统一的存储器测试和修复IP。

由于Globalfoundries重点发展FD-SOI技术,特别是22nm制程的FD-SOI,已经很成熟,所以该公司的新兴存储技术,特别是MRAM,都是基于具有低功耗特性的FD-SOI技术展开的。

今年年初,Globalfoundries宣布基于22nm FD-SOI 平台的eMRAM投入生产。该eMRAM技术平台可以实现将数据保持在-40C至+125C的温度范围内,寿命周期可以达到100,000,可以将数据保留10年。该公司表示,正在与多个客户合作,计划在2020年安排多次流片。

据悉,该公司的eMRAM旨在替代NOR闪存,可以定期通过更新或日志记录进行重写。由于是基于磁阻原理,在写入所需数据之前不需要擦除周期,大大提高了写入速度,宏容量从4-48Mb不等。

英特尔也是MRAM技术的主要推动者,该公司采用的是基于FinFET技术的22 nm制程。

2018年底,英特尔首次公开介绍了其MRAM的研究成果,推出了一款基于22nm FinFET制程的STT-MRAM,当时,该公司称,这是首款基于FinFET的MRAM产品,并表示已经具备该技术产品的量产能力。

由于市场需求愈加凸显,且有各大晶圆厂大力投入支持,加快了以MRAM为代表的新兴存储技术的商业化进程。未来几年,虽然DRAM和NAND Flash将继续站稳存储芯片市场主导地位,但随着各家半导体大厂相继投入发展,新兴存储器的成本将逐步下降,可进一步提升 MRAM等技术的市场普及率。

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