嵌入式存储的下一步：STT-MRAM

MRAM，即磁阻式随机访问存储器的简称，兼备SRAM的高速读写性能与闪存存储器的非易失性。STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的一种新型MARM，属于MRAM的二代产品，解决了MRAM写入信息存在的问题。
STT-MRAM存储单元的核心仍然是一个MTJ（磁性隧道结），由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成，它是通过自旋电流实现信息写入的。目前，STT-MRAM已经从几家代工厂（GlobalFoundries、英特尔、三星、台积电和联电）中脱颖而出，成为一种非常有吸引力的IP选择。
STT-MRAM具有以下几个出色的特性：

  • 储存时间长

  • 高密度

  • 随机访问

  • 接近零泄漏功率

  • 低写误码率

STT-MRAM的开发步骤包括以下几项：
第一步是材料的堆栈工程——例如，晶体结构、原子组成、厚度和每个层边界的界面特性。需要通过详细的“自旋极化”计算确定以下材料特性：

  • 磁各向异性 (K)

  • 磁饱和 (Ms)

  • 隧道磁阻性（TMR）

第二步是扩展电子级、“基态、零K”材料模拟。
第三步是将 MTJ 物理维度引入到工艺开发中。下图说明了磁性“耦合场”在制造后如何存在于锥形、非完全圆柱形 MTJ 中。
图源：semiwiki
最后一步是将之前对材料、温度相关性和 MTJ 尺寸的分析抽象为合适的“紧凑型器件模型”， MRAM阵列设计人员可以用阵列解码的 SPICE 模型结合位单元存取晶体管、写入驱动器和读取传感设备。
与当前的嵌入式闪存相比，STT-MRAM 在以下几个方面都具有优势：

  • 耐久性（读/写周期数）

  • 数据保留（非易失性阵列存储）

  • 读/写循环性能

  • 成本

所有这些特性优势都是在严格的环境条件下应用，例如-40℃~125℃——对应于带有eMRAM IP的工业应用SoC。
制造方式实际上也是STT-MRAM优于闪存的点。以台积电32Mb嵌入式STT-MRAM为例，闪存需要12个或更多额外的掩模，只能在硅基板上实现，并且以页面模式写入。由于MTJ器件能够通过三个左右额外的掩膜嵌入芯片的线路后端（BEOL）互连层，因此STT-MRAM在后段（BEOL）金属层中实现仅需要2-5个额外的掩模，并且可以以字节模式写入。
将STT-MRAM与最新的通用存储候选进行比较，STT-MRAM的读写时间分别为2和20 ns，而相变RAM（PRAM）的读取时间为20~50ns，写入的时间为30ns。此外，STT-MRAM的耐久性也是要优于PRAM的。
当然STT-MRAM也有自身的一些问题。在基于STT-MRAM的许多应用中，磁场干扰是一个潜在的问题。因此 STT-MRAM 阵列的磁抗扰度 (MI) 是一个新的可靠性参数。在最近的 2021 年 VLSI 研讨会上，GLOBALFOUNDRIES 的 MRAM 负责人 Vinayak Bharat Naik 解读了采用 22FDX-SOI 工艺技术制造的 MRAM 阵列的磁抗扰度实验分析结果。值得注意的是，该技术还具有非常吸引人的 RF 特性。因此，可能存在带有电感元件的片上 RF IP，即便这些电感元件会发出显著的场强。下面看看STT-MRAM对于外部场强和片上场强的反应。
外部场强源自 SoC 封装之外。Vinayak 展示了应用于 STT-MRAM 测试站点的实验设置和 MI 分析结果。下图显示了（ECC 校正的）存储器读写 BER 为零，活动 MI 大于 250 Oe。
图源：semiwiki
另外，Vinayak 还强调，MTJ 层内磁化畴的各向异性表明外部磁场和 STT-MRAM 测试点表面之间的入射角可能会影响抗干扰性。
SoC 芯片内的抗磁性能有两个方面：

  • 源自电感线圈的场，例如用于LC谐振电路，导致STT-MRAM错误率。

  • 源自MTJ阵列本身的场，影响LC槽功能。

Vinayak 分享了分析数据，显示感应线圈的磁场强度与分离距离的关系，如下所示。右上方的图表显示了源自嵌入式 STT-MRAM 阵列的磁场。在示例中，MRAM阵列场非常小，因此对LC谐振回路振荡频率的影响可以忽略不计。
图源：semiwiki
嵌入式MRAM 确实引入了一个新的可靠性问题——阵列对来自 SoC 封装外部或芯片上电感电路的磁场的“抗扰度”。在制造环节，为了解决磁干扰性问题，制造商选择在封装上沉积0.3mm厚的磁屏蔽层。实验表明在移动设备的商用无线充电器的磁场强度为3500Oe的情况下，暴露100小时的误码率可以从> 1E6 ppm降低到1ppm。另外，在650 Oe的磁场下，在125°C下的数据保存时间超过10年。
目前MRAM软件技术正在世界各地的实验室中开发，但是随着STT-MRAM产品成本的降低，无论是嵌入式产品还是独立产品，MRAM软件技术都可能成为MRAM取代最快的静态随机存取存储器应用的手段，提供更高的非易失性存储器密度。
谈到应用，STT-MRAM可以在许多嵌入式应用中替代NOR闪存和SRAM。非易失性存储使用NOR闪存存储代码，并将数据传输到SRAM充当缓冲区或高速缓存。例如低端手机同时使用NOR和SRAM，可以很容易地用单个STT-MRAM芯片替换它们。
同时，STT-MRAM具有重要的军事应用，在抗恶劣环境高性能计算机、军用卫星、导弹、火箭、航天飞行器控制和数据存储系统中都需要具有超高密度、超大容量、超低能耗、随机存储、非易失性、结构简单、抗辐照能力强等优点的存储器系统，这些特性STT-MRAM都具备。
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