IBM與TDK聯手開發密度可提升20倍的MRAM
上網時間 : 2007年10月09日
IBM公司正與日本TDK公司展開一項合作研發計劃，共同打造一款高密度磁性隨機存取記憶體(MRAM)。該計劃為期4年，目標在於透過自旋動量轉移(spin-momentum transfer)技術，將MRAM的密度提高20倍。自旋動量轉移是一種寫入機制，據稱可比現有MRAM所採用的磁場資料寫入方式功耗更低，使用的位元單元也更小。
“過去幾年來，我們在穿隧結(tunnel-junction)MRAM的研究已取得一些突破性的進展，但我們的設計卻還未能投入商用化應用，”IBM公司T.J. Watson研究中心負責非揮發性記憶體研發的資深經理Bill Gallagher說，“我們認為採用自旋動量轉移技術可以降低記憶體對功耗的要求、縮小位元單元，並使記憶體的壽命延長至無限。”
自旋動量技術利用自旋電子的磁性來改變MRAM位元單元的磁性，並將自旋極化寫入電流傳遞到位元單元的磁化層中，而使得該單元可在0到1或1到0之間轉變。
該技術所消耗的功率比現有的MRAM更低，所用的位元單元也更小。目前我們所採用的磁穿隧結(MTJ)MRAM的位元單元包含一個電晶體和兩個磁化層：一個定向磁化層和一個由隧道保護層隔離的自由磁化層。通常，資料的寫入是經由改變自由層的磁化方向而實現的，即讓電流流過兩根位元線，以在相應的位元單元上產生一個磁場。而資料的讀取則是透過感應電阻的變化來實現。
由於自旋動量轉移式的MRAM係透過自旋極化的電子流經過自由層以寫入資料，因此電流就不需經過位元線，但讀取資料時仍然必須經由感應電阻的變化來實現。
IBM先前曾與英飛凌公司共同合資成立Altis公司，聯手開發基於舊式寫入方法的MRAM，但雙方的合作在尚未實現目標前就宣告終止。之後，IBM又與英飛凌獨立而出的奇夢達(Qimonda)公司，以及台灣旺宏電子(Macronix)合作，共同開發相變隨機存取記憶體(PRAM)。PRAM也是英代爾公司相當看好並主力研究的一種技術。
“當然，新一代的記憶體技術中還包括相變記憶體等其他技術，但我們認為MRAM由於同時具備了多種優秀的特性，所以最終將成為主流技術，”Gallagher說。
IBM公司從磁穿隧結技術一開始就一直作為該領域的先驅，而TDK也由於其硬碟磁頭產品採用了MTJ技術，而獲得許多有關MTJ設計與可製造性方面的經驗。將這些MTJ技術經驗用於MRAM中可能會成為TDK在非揮發性記憶體進軍硬碟市場時的一大助力。
圖說：第二代的IBM Almaden多層濺鍍系統包含電漿氧化源與金屬光罩製造功能，可用於建構磁穿隧結結構工程。
設計目標
Gallagher表示：“TDK在製造方面的可靠性經驗將大力協助我們達到設計目標，”這些目標包括將IBM現有的16Mb MRAM設計製程從180nm微縮到65nm而提高其密度，以及設計更小的位元單元，以便使新技術中的位元單元無需再負擔磁編程開銷。製程的微縮可望使MRAM的密度提升9倍，從16kb提高到144kb。此外，從9倍到20倍這一步則要靠縮小位元單元的尺寸來實現，而這也就是TDK的技術可大顯身手之際。
該研究將在IBM的T.J. Watson研究中心、IBM在加州的Almaden研究中心、位於維吉尼亞州Burlington的IBM ASIC設計中心，以及位於加州Milpitas的TDK研發機構進行。
作者：羅克鈴
從專利角度透視PCRAM技術的最新發展
上網時間 : 2007年09月28日
通用記憶體是晶片產業長期以來的追求目標。稍早之前，相變隨機存取記憶體(PCRAM)、磁阻隨機存取記憶體(MRAM)和鐵電隨機存取記憶體(FRAM)曾被視為可取代快閃記憶體、SRAM和DRAM的三大主要競爭技術。
Cypress半導體公司曾率先於2005年發佈其MRAM技術，但隨即撤出此一市場，因為擔心SRAM和DRAM的銷售會阻擋任何真正的(新技術)市場滲透。不過，沿續著MRAM的發展道路，飛思卡爾於2006年7月宣佈推出一款4Mb的MRAM商用晶片。另一方面，FRAM的應用在一些特定領域也不斷成長。不過，目前業界關注的焦點仍是PCRAM。
透過業界的支援，PCRAM看來將成為快閃記憶體的替代選項。自2003年以來，意法半導體(ST)、英特爾(Intel)和Ovonyx便攜手開發相變技術。即使是從作為通用記憶體的角度來考量，相變記憶體仍能滿足SRAM或DRAM替代技術所需的耐久性水準。
由於缺乏可供分析的PCRAM元手，我們此次是透過最近發佈的美國專利和公開發佈的應用來分析這項技術。PCRAM的記憶體單元基於一種相變材料(PCM)，通常來自於是一系列硫化物材料。最近該領域頒佈的專利中，許多都以單位記憶單元(unit cell)的材料和結構為中心。這顯示開發工作仍然集中在新的材料系統上，同時相關電路可能來自於目前的記憶體技術。
以下是Semiconductor Insights針對我們認為有趣的專利文件所提出的觀點。不過，這不宜視為對PCRAM專利現況的全面性概述。本文描述了英特爾、Ovonyx、意法半導體和三星(Samsung)公司的專利，看起來，這些專利技術似乎都為PCRAM所面臨的挑戰提供了引人矚目的解決方案。
儲存機制
在針對本文描述的專利進行分析之際，我們應藉此考量PCRAM內部數據儲存的基本機制。圖1所示為PCM的溫度與時間關係圖。為便於討論，我們假設PCM最初處於晶相(crystalline phase)狀態。為了獲得非晶相(amorphous phase)狀態，PCM被加熱至溫度超過熔點(Tm)，對許多硫化物來說，其熔點約在600℃左右。緊接著PCM會迅速冷卻，如曲線1所示。
圖1：將PCM從晶相狀態轉變到非晶相狀態的加熱和冷卻過程。
對於PCRAM而言，這種升溫可透過對元件本身施加電流，或透過緊鄰PCM元件的加熱器來實現。這種電流被稱為IRESET。利用上述處理過程，可把‘0’寫入記憶體單元。若要把‘1’ 寫入記憶體單元，PCM的溫度必須提高到結晶溫度(Tc)以上，並保持在這一溫度，以利於晶體成核和晶體結構生長，如曲線2所示。這種情況下，所施加的電流被稱為ISET。
在向記憶體單元寫入1和0的過程中，有兩大棘手問題，而目前的研究和已發佈的專利中，有許多都旨在直接或間接解決這些難題。
第一個問題是用於把PCM加熱到所需溫度的電流相當大。事實上，隨著製程幾何尺寸的微縮，該電流大到足以讓人擔心單元存取電晶體能否繼續提供所需的電流。在2003年的國際電子元件會議(IEDM)上，英特爾的Stefan Lai首次在發表的技術論文中探討了微縮比例問題。相變的溫度由相位圖設定，並需考慮提高加熱效率的方法。這可能包括提高電流密度、減少經歷轉換的材料的用量，以及降低被加熱空間的傳導率等。
其次，有關PCM相變(即非晶態和晶態之間的轉換)的耐久性應該是無限的。但這種轉換會造成體積的變化，這在PCM元件內產生很大的應力。同樣地，這種應力對記憶體單元而言可能是一種磨損機制，因為不斷的循環將造成PCM元件周圍各個接觸面的損耗。
降低電流的不同方案
在減少編程電流方面，存在著許多不同的方案，但其中有兩種共同的‘基礎’結構。其中之一見於三星的專利USP 7,130,214。三星大體上看來採用了一種平面PCM元件，置於第一個直徑的插栓(plug)和第二個直徑的接觸區(contact)之間，第二個直徑比第一個大。
英特爾和Ovonyx看來是採用另一種方式來實現PCM元件，即將其沈積於已蝕刻在一個或多個電介質層內的小孔中。這種PCM元件的形狀由小孔中形成的側壁間隙(sidewall spacer)決定。這種結構見於美國專利USP 7,183,567。在兩個例子中，兩個接觸區和PCM元件之間的不同接觸區域由於表面面積更小，使接觸區的電流密度更高，因而提高了電流密度，減少了加熱所需的電流。
在上述兩種基礎結構中，在減少電流方面存在一些差異。USP 7,130,214專利中，三星披露了一種施加電流的方法，即利用規定的電平和持續時間，提供更精細分散式晶核(nuclei)。據稱這種方法可減少所需的編程電流。三星已發表的美國專利20060152186闡釋了一種可以使電流方向與‘傳統’方向相反、讓電流從PCM元件流向更小直徑接觸區的方法。這將進一步集中電流，以減少編程所需的電流。不僅如此，USP 7,061,013專利中還披露了一種包含高阻抗和低阻抗PCM材料子層的PCM元件。
在電流減少問題方面，也必須探討英特爾/Ovonyx的兩項專利。Ovonyx的USP 7,049,623專利展示了一個相當有趣的單元結構(圖2)。
圖2：Ovonyx公司USP 7,049,623專利展示了一種減少PCM編程電流的單元結構。
PCM元件18沿用常用的英特爾/Ovonyx結構，即PCM元件被沈積在具有側壁22的小孔46中。高阻抗和低阻抗接觸層分別為24和26。高阻抗層24作為加熱器，而低阻抗層26用以確保把電流平均分配給層24。此外，層24和26位於導電襯墊30和絕緣器28之上，填充和包圍著導體。這種在基板和層26之間形成接觸面的方法似乎十分獨特。
此項專利的核心申請範圍(Claim 1)陳述了針對層24和26的限制。意法半導體在2004年VLSI研討會上展示的8Mb 0.18微米製程以及新推出的128Mb元件中，均採用了類似的單元結構，該結構是由G. Casagrande等人發明，專利號為USP 6,972,430B2，由意法半導體和Ovonyx聯合擁有。這種單元結構據稱能夠提供更小的單元面積和更好的電流管理，可解決實現PCRAM的主要挑戰。
最後，英特爾的USP 7,029,978專利闡釋了一種細孔型結構。在這種結構中，PCM元件緊鄰一個電介質層沈積，該介質層又鄰近導體。據稱這一電介質可透過離子注入轟擊在特定區域擊穿。
這似乎是聚集流經小區域弱介質電流的一種好方法。在該專利第11項專利申請範圍(Claim 11)中，聲稱其記憶體在一對電極之間具有一個擊穿層，這種利用‘被離子注入轟擊的擊穿層來提高某個區域產生擊穿的可能性’，真是一個好主意！
另一個引起廣泛興趣的領域是使用加熱器來為PCM元件提供所需的熱量。三星和英特爾/Ovonyx都有專利闡釋這類結構。尤其是三星的USP 7,170,777專利，闡釋了一種與每個單位記憶單元相關的電阻式加熱器。這種結構沒有存取電晶體，加熱器有單獨的選擇電路。我們推測，這種結構的主要考量應該是便於密度提升的管理，同時，由於沒有存取電晶體，因此其整體尺寸取決於是否能驅動足夠電流來加熱PCM。雖然這項專利的優先權日期是2004年1月28日，但它似乎已對具有單獨選擇線路的加熱結構具有廣泛的專利權。
耐久性問題看來有點模糊，因為顯然很少有人談論它。如前所述，一個被隔離的PCM元件耐久性在理論上是無限的，因為它只是簡單地透過相變來循環。然而，研究人員指出，與這種過程相關的體積變化可能在PCM內產生應力和鄰近層。他們進一步表示，一種Ti/TiN(鈦/氧化鈦)黏接層結構可在熱循環下產生應力，以減輕與PCM相關的應力。
在USP 7,129,531專利中，Ovonyx闡釋了這樣一種氧化鈦黏接層結構，在這種結構中，鄰近PCM的層含有大量的鈦。說明文件中提到，鈦和PCM元件中的碲(tellurium)相互作用，可提高黏接支援度。透過PCM元件的體積變化，可以改善邊界層疲勞和分層的狀況。
未來，我們期待能率先預覽即將推出的相變記憶體產品，以測定採用的單位記憶單元結構，並在此一過程中確認將相變記憶體投入市場的方案。
作者：Paul Boldt
IPinsights分析師
Semiconductor Insights
相關信息
* 什麽是MRAM？
磁電阻式隨機存取記憶(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)與利用相變化材料特性所完成的相變化記憶體(Phase Change Memory，PCM)皆是數位資訊存取市場中新興的記憶體技術，MRAM是利用奈米級磁性結構所組成的高效能記憶裝置。這些新興記憶體不但有高讀寫速度，也具備較佳的耐久及抗輻射性，目前商業化應用仍在開發階段。
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 加入我的最愛 打 印 版 推 薦 給 同 仁 發 送 查 詢
相關文章
• 經理人觀點(0710A) (2007-10-10)
• West Bridge：針對多媒體手機的高速連接架構 (2007-10-08)
• DDR訊號測量方法及訊號完整性驗證面臨的挑戰與建議 (2007-09-28)
• 科技新發現：單原子記憶體、分子開關 (2007-09-10)
• SIA：七月全球半導體銷售小成長 表現如預期 (2007-09-07)
更多相關文章
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
