近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加速普及，對降低端點(diǎn)設(shè)備中使用的微控制器單元 (MCU) 的功耗有著強(qiáng)烈的需求。與閃存相比，MRAM 用于寫入操作所需的能量更少，因此特別適合數(shù)據(jù)更新頻繁的應(yīng)用程序。然而，隨著 MCU 對數(shù)據(jù)處理能力的需求激增，改善性能和功耗之間的權(quán)衡的需求也在增加。因此，進(jìn)一步降低功耗仍然是一個(gè)緊迫的問題。

　　瑞薩電子公司也于日前宣布開發(fā)了兩種技術(shù)。分別是：1）采用斜坡脈沖（slope pulse ）應(yīng)用的自終止寫入方案，根據(jù)每個(gè)存儲(chǔ)單元的寫入特性自動(dòng)自適應(yīng)終止寫入脈沖；2) 用于優(yōu)化位數(shù)的寫入序列，同時(shí)向其施加寫入電壓結(jié)合。

　　按照他們所說，這些技術(shù)可減少自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (STT-MRAM，以下簡稱 MRAM) 寫入操作的能量和電壓施加時(shí)間。在16 納米 FinFET邏輯工藝中嵌入 MRAM 存儲(chǔ)單元陣列的 20 兆位 (Mbit) 測試芯片上，其寫入能量減少了 72%，電壓施加時(shí)間減少了 50%。

　　于 12 月 13 日在 12 月 11 日至 15 日在舊金山舉行的 2021 年 IEEE 國際電子器件會(huì)議 (IEDM) 上，瑞薩電子展示了這些成就。下文描述了滿足這一需求的新 MRAM 寫入技術(shù)。

　　利用斜率脈沖的自終止寫入方案

　　二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過使用磁隧道結(jié) (MTJ) 器件的高阻態(tài) (HRS) 和低阻態(tài) (LRS) 分別表示值 1 和 0 來存儲(chǔ)在 MRAM 中。之前，業(yè)界已經(jīng)提出了一種自終止寫入方案來減少寫入能量和電壓施加時(shí)間，通過在固定寫入電壓施加期間通過監(jiān)視存儲(chǔ)單元電流來檢測寫入完成，并且自動(dòng)停止寫入電壓的施加。然而，與諸如存儲(chǔ)單元特性的變化和比較器電路檢測寫入完成的檢測精度等因素相關(guān)的問題阻礙了穩(wěn)定且一致的寫入完成檢測的成功實(shí)現(xiàn)。

　　為了解決這些問題，在傳統(tǒng)的自終止寫入中，MTJ 從 HRS 變?yōu)?LRS 的寫入操作期間不施加固定電壓，而是采用了隨時(shí)間逐漸上升的斜率電壓。這使得可以穩(wěn)定且一致地檢測寫入完成。即使由于存儲(chǔ)單元特性的變化和其他因素，存儲(chǔ)單元電流在狀態(tài)轉(zhuǎn)變之后沒有立即達(dá)到檢測器電路的檢測電平，隨后寫入電壓的逐漸上升也會(huì)增加存儲(chǔ)單元電流。這最終會(huì)超過檢測電平，從而能夠檢測到寫入完成并停止施加寫入電壓。

　　在狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾捶较虻膶懭氩僮髌陂g，從LRS到HRS，存儲(chǔ)單元電流從大電流變?yōu)樾‰娏?，因此使用斜率電壓脈沖的寫入完成檢測是不可能的。因此，采用電流源電路以傾斜的方式增加寫入電流，通過電壓檢測電路監(jiān)測寫入電壓，判斷是否超過預(yù)設(shè)判斷電壓來檢測寫入完成。

　　同時(shí)寫位數(shù)優(yōu)化技術(shù)

　　以前，MRAM 寫入電壓是根據(jù)存儲(chǔ)單元特性變化中最差的位寫入特性來確定的。這意味著需要高寫入電壓，并使用電荷泵電路來產(chǎn)生它。為了減少電荷泵電路的面積和功耗，例如將MRAM宏的寫入單元分成四組或更多組，依次施加每個(gè)寫入脈沖。然而，這增加了分區(qū)數(shù)的寫入電壓施加時(shí)間。

　　為了解決這個(gè)問題，瑞薩專注于通過允許高達(dá) 10% 的寫入失敗位來大幅降低寫入電壓這一事實(shí)。首先，通過降壓轉(zhuǎn)換器電路使用從MCU的IO電壓產(chǎn)生的低寫入電壓，同時(shí)向?qū)懭雴卧械乃形皇┘訉懭腚妷?。在這一步中，使用上一節(jié)中描述的帶有斜坡脈沖的自終止寫入方案，根據(jù)各個(gè)位的寫入特性執(zhí)行自終止寫入操作。接著，利用電荷泵電路產(chǎn)生的高寫入電壓對剩余的10%的位執(zhí)行寫入操作。由于采用這種技術(shù)，寫入電壓的施加分兩個(gè)階段完成，與將寫入單元分成四組或更多組的傳統(tǒng)方法相比，整體寫入電壓施加時(shí)間可減少50%或更多。此外，對于絕大多數(shù)位而言，該技術(shù)在寫操作時(shí)不需要耗電的電荷泵，而是使用降壓轉(zhuǎn)換器從外部電源電壓獲得的寫電壓。這有效地減少了寫入能量的消耗。

　　在采用 16 nm FinFET 邏輯工藝的 20 Mbit 嵌入式 MRAM 存儲(chǔ)單元陣列測試芯片上進(jìn)行的測量中，證實(shí)上述兩種技術(shù)的組合可將寫入能量降低 72%，并將寫入脈沖應(yīng)用時(shí)間縮短 50%。

　　瑞薩不斷開發(fā)增量技術(shù)，旨在將嵌入式 MRAM 技術(shù)應(yīng)用到 MCU 產(chǎn)品中。展望未來，瑞薩將努力進(jìn)一步提高容量、速度和電源效率，以適應(yīng)一系列新應(yīng)用。

　　走向MCU的新型存儲(chǔ)

　　我們來聊下新興的非易失性存儲(chǔ)器（eNVM）的進(jìn)展，在談eNVM之前，就不得不先談起嵌入式閃存（eFlash）。

　　現(xiàn)在幾乎所有的MCU細(xì)分市場現(xiàn)在都使用eFlash解決方案。什么是嵌入式閃存？內(nèi)置微控制器、SoC等元件的閃存一般為稱為“嵌入式閃存”。它與獨(dú)立式（Standalone）存儲(chǔ)器的最大區(qū)別在于是否將CMOS 邏輯作為平臺(tái)。

　　摩爾定律的趨勢要求晶體管不斷的向更小尺寸微縮，但嵌入式閃存的微縮化正在逼近極限。這主要是因?yàn)殚W存的微縮化步伐趕不上CMOS 邏輯的微縮化。我們都知道，當(dāng)下CMOS 邏輯量產(chǎn)的最先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)為5納米，而閃存微控制器的量產(chǎn)代際還停留在40納米節(jié)點(diǎn)，加工尺寸的差距為8倍，技術(shù)代際的差距也至少有四代（假設(shè)代際區(qū)間為：7納米時(shí)代、14納米時(shí)代、28納米時(shí)代）。

　　與普通的邏輯半導(dǎo)體相比，由于嵌入式閃存的存儲(chǔ)單元采用具有特殊構(gòu)造的晶體管，在讀寫方面需要較高的電壓，理論上來講不易實(shí)現(xiàn)微縮化。此外，22納米世代以后CMOS 邏輯的晶體管全部立體化，為FinFET。用于嵌入式閃存的晶體管的研發(fā)技術(shù)極其困難。

　　于是，人們正在積極研發(fā)能夠替換嵌入式閃存的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)（eNVM技術(shù)），包括相變存儲(chǔ)器（PCM），自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-RAM）、電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM），以及英特爾的Optane等等。嵌入式非易失性存儲(chǔ)半導(dǎo)體（eNVM）技術(shù)的優(yōu)勢主要有兩點(diǎn)：首先，在生產(chǎn)多層線路時(shí)就將存儲(chǔ)元件埋入，不受晶體管技術(shù)的限制。其次，與閃存相比，讀寫所需電壓較低。因此，就28納米以后的技術(shù)世代而言，eNVM技術(shù)有望代替eFlash技術(shù)。

　　ePCM技術(shù)率先登上MCU舞臺(tái)

　　eNVM技術(shù)的最有力后補(bǔ)技術(shù)為STT-MRAM技術(shù)。而幾大晶圓廠也在積極擁抱eMRAM技術(shù)。在ISSCC 2020上，臺(tái)積電介紹了其32Mb MRAM的進(jìn)展；2020年3月，晶圓大廠格芯宣布，其22nmFD-SOI 平臺(tái)的嵌入式eMRAM已投入生產(chǎn)；2019年3月，三星推出首款商用eMRAM產(chǎn)品；英特爾也發(fā)布過關(guān)于MRAM研究的新論文。

　　按說STT-MRAM技術(shù)應(yīng)是各大MCU廠商的頭道菜，因?yàn)閑MRAM比eFlash更快，更省電。不同于eFlash是一種前端技術(shù)，eMRAM的磁性存儲(chǔ)元件搭建于后端金屬層上，這就利于將其集成邏輯制程，F(xiàn)D-SOI不會(huì)對前端晶體管造成影響。但是，事情的發(fā)展卻不是如此！ePCM技術(shù)卻率先登上MCU舞臺(tái)。

　　根據(jù)pc.watch的報(bào)道，令人意外的是，在28納米世代以后的生產(chǎn)技術(shù)中，微控制器廠家率先發(fā)布的eNVM技術(shù)并不是STT-MRAM，而是ePCM（ePCM，Phase Change Memory）。微控制器廠家巨頭意法半導(dǎo)體在2018年12月發(fā)布稱，研發(fā)了一項(xiàng)車載嵌入式相變化存儲(chǔ)半導(dǎo)體，可代替28納米邏輯。

　　后來在2019年2月，意法半導(dǎo)體又宣稱，開始量產(chǎn)28納米世代的32bit微控制—-“Stellar”系列?！癝tellar”系列不采用嵌入式閃存，作為42MB的微控制器，可內(nèi)置容量極大的嵌入式PCM。首代產(chǎn)品內(nèi)置了16MB的大容量PCM，內(nèi)置了6核Arm Cortex-R52（最大作業(yè)周波數(shù)400MHz）、8MB的RAM。工作溫度范圍：-40℃～+165℃，滿足車載信賴性要求“0”（Auto Grade 0）。工藝技術(shù)采用28納米世代的FD-SOI CMOS技術(shù)。

　　車載32bit微控制器“Stellar”系列的概要。（圖片出自：意法半導(dǎo)體公示資料。）

　　通過pc.watch的報(bào)道我們發(fā)現(xiàn)，ePCM技術(shù)的優(yōu)勢在于存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)較簡單。僅包含上下電極、且層數(shù)在五層以下。然而，STT-MRAM技術(shù)下的存儲(chǔ)元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)至少在10層左右。以上這種差異會(huì)直接影響產(chǎn)量。

　　此外，從外部施加磁性（用途為電機(jī)控制方向）時(shí)，ePCM技術(shù)不需要防護(hù)罩（Shield）。STT-MRAM技術(shù)下，僅靠硅片的話，抗磁性較弱。在電機(jī)控制方面，有些使用場景下會(huì)需要使用磁性防護(hù)層的封裝模式。這會(huì)增加封裝的成本。

　　PCM技術(shù)緣何能走進(jìn)車載存儲(chǔ)半導(dǎo)體？

　　一直以來人們普遍認(rèn)為PCM技術(shù)不適用于車載半導(dǎo)體。PCM是利用被稱為“Chalcogenaide”的化合物（合金）在結(jié)晶狀態(tài)和非結(jié)晶狀態(tài)（Amorphous）時(shí)巨大的導(dǎo)電性差異來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。

　　通過控制加熱和冷卻來改變化合物的狀態(tài)變化。轉(zhuǎn)為非結(jié)晶狀態(tài)（數(shù)字“0”）的動(dòng)作被稱為“重啟（Reset）”。在“重啟（Reset）”動(dòng)作下，在極短的時(shí)間內(nèi)對“Chalcogenaide”合金進(jìn)行迅速高溫加熱、并在極短的時(shí)間內(nèi)迅速使其冷卻。轉(zhuǎn)為結(jié)晶狀態(tài)（數(shù)字“1”）的動(dòng)作被稱為“啟動(dòng)（Set）”。在“啟動(dòng)（Set）”動(dòng)作下，對“Chalcogenaide”合金以稍長的時(shí)間、較低的溫度進(jìn)行加熱，且以稍長的時(shí)間慢慢使其冷卻（此處的時(shí)間和溫度是相對于“重啟”的）。

　　相變化存儲(chǔ)半導(dǎo)體（PCM）的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（概念圖）。“Chalcogenaide”化合物的薄膜與加熱器的金屬膜通過上下電極連接。“Chalcogenaide”合金在結(jié)晶狀態(tài)下電阻低、在非結(jié)晶狀態(tài)下的電阻較高。（圖片出自：pc.watch）

　　相變化存儲(chǔ)半導(dǎo)體（PCM）的存儲(chǔ)原理。通過控制加熱&冷卻的溫度和時(shí)間，反復(fù)循環(huán)非結(jié)晶狀態(tài)（左側(cè)）和結(jié)晶狀態(tài)（右側(cè)）。（圖片出自：意法半導(dǎo)體公開資料。）

　　標(biāo)準(zhǔn)情況下，PCM中采用的“Chalcogenaide”化合物為Ge2Sb2Te5，且Ge（鍺）、sb（銻）、Te（碲）以2:2:5的比例混合。多被表示為“GST-225”、“GST225”。“GST-225”的相變化需要的時(shí)間極短，為數(shù)十ns（納秒），相變化次數(shù)為100萬甚至更多。

　　GST-225的結(jié)晶溫度較低，為150度，那么采用了GST-225的PCM的使用溫度上限則為+100度左右。因此，可用于消費(fèi)類電子（因?yàn)槠錅囟鹊氖褂蒙舷逓?70度或85度），但是，很難應(yīng)用于上限溫度為+105度的工業(yè)領(lǐng)域。更無法應(yīng)用于上限溫度為+125度、+150度的車載方面。以上是關(guān)于PCM的常識(shí)。

　　超耐熱PCM材料的發(fā)明顛覆了PCM的以上常識(shí)。意法半導(dǎo)體研發(fā)了一款結(jié)晶溫度更高的GST材料，此款材料具有較高的Ge（與GST-225相比）含量，并應(yīng)用到了嵌入式PCM（意法半導(dǎo)體內(nèi)部稱之為“Ge Rich GST”或者“T合金”）?！癎e Rich GST”的結(jié)晶溫度高達(dá)+370度。運(yùn)用此次研發(fā)成果，使?jié)M足車規(guī)半導(dǎo)體信賴性級別“0”（Auto Grade 0)的PCM內(nèi)置微微控制器的量產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

　　滿足車載半導(dǎo)體信賴性級別“0”的嵌入式PCM材料（e PCM）的概要。（圖片出自：意法半導(dǎo)體公示資料。）

　　面積減半的ePCM

　　此外，意法半導(dǎo)體還在2020年12月召開的國際學(xué)會(huì)---IEDM 2020上公布了將存儲(chǔ)單元格面積減半的嵌入式PCM技術(shù)（ePCM）。意法半導(dǎo)體在2018年12月召開的IEDM 2018上公布的第一代ePCM技術(shù)，其存儲(chǔ)單元格的面積是0.0372um。

　　在2020年12月的IEDM上發(fā)布的ePCM技術(shù)（姑且稱之為“第二代”）的存儲(chǔ)單元格面積極小，為0.0192um。在以往的國際學(xué)會(huì)、學(xué)會(huì)論文中公布的所有嵌入式非易失性存儲(chǔ)半導(dǎo)體中（包含嵌入式閃存），0.0192um是面積最小的。二代存儲(chǔ)單元格的面積僅為第一代的53%。CMOS 邏輯雖然也采用了同樣的生產(chǎn)技術(shù)（28納米世代的FC SOI CMOS 工藝），但ePCM技術(shù)下的存儲(chǔ)單元格面積減小了幾乎一半。

　?。▓D片出自：pc.watch）

　　上圖是存儲(chǔ)容量達(dá)16MB（128Mbit）的嵌入式PCM micro硅片圖片。左側(cè)是IEDM 2018上發(fā)布的第一代產(chǎn)品、右側(cè)是IEDM 2020上發(fā)布的第二代產(chǎn)品。二者都出自IEDM論文。但是，左右兩圖的縮小比例不一致。

　　第一代和第二代的最大區(qū)別在于單元選擇器和選擇器的分離。第一代的選擇器為n 型channel MOS FET。由于是FD SOI，因此即使施加Back Body Bias，存儲(chǔ)單元選擇器還是標(biāo)準(zhǔn)的。

　　在第二代中，由于存儲(chǔ)單元選擇器較小，因此單元選擇器為縱型pnp 雙極晶體管（Bipolar Transistor）。FD SOI的p阱（Well）為集電極（Colletcor）、n阱為基極（Base）、p型擴(kuò)散層為發(fā)射極（Emitter）。為了能夠與CMOS Logic進(jìn)行工藝互換，留下了與n Channel MOS同樣的虛擬柵極(Dummy Gate)。

　　此外，采用極其淺的溝槽（被稱為SSTI，Super-Shallow Trench Isolation）來分離位線（BitLine）間的元件，因此縮短了位線間的距離。每4根位線匯集在一起，且通過SSTI與其他位線相分離。就字線的元件分離而言，與之前一樣，采用STI（Shallow Trench Isolation）。通過以上努力，大幅度縮短了存儲(chǔ)單元的面積。

　　意法半導(dǎo)體研發(fā)的嵌入式PCM（ePCM）技術(shù)比較。

（表格出自：筆者根據(jù)IEDM上發(fā)布的論文、演講內(nèi)容制作了此表。）

　　在IEDM 2020上，有論文和演講中提到了16MB Macro的生產(chǎn)良率隨時(shí)間的變化情況，良率已經(jīng)幾乎接近100%。即，在ePCM的生產(chǎn)中，在CMOS 邏輯上追加的薄膜僅有兩片。

　　運(yùn)用第二代ePCM技術(shù)生產(chǎn)的16MBMacro的良率推移表，可以看出良率幾乎接近100%。（圖片出自：IEDM 2020發(fā)布論文。）

　　雖然ePCM技術(shù)確實(shí)取得了一定的進(jìn)展，包括在材料以及面積上等等，但是，要將ePCM技術(shù)推廣到半導(dǎo)體市場上，還有一些不確定因素。意法半導(dǎo)體盡管在從事著28納米世代的FD SOI CMOS邏輯的代工業(yè)務(wù)，但不確定其是否會(huì)提供ePCM技術(shù)。

　　另一方面，如上文所提到的，由于已經(jīng)有多家經(jīng)驗(yàn)豐富的Foundry企業(yè)同時(shí)提供28納米世代和22納米世代的邏輯半導(dǎo)體，因此從微控制器廠家、半導(dǎo)體控制器廠家的立場來看，嵌入式STT-MRAM技術(shù)使用起來更容易些。

　　所以，目前，尚不清楚哪種存儲(chǔ)技術(shù)將成為這場戰(zhàn)斗的贏家，因?yàn)橐豁?xiàng)技術(shù)的推動(dòng)需要芯片制造商、技術(shù)許可方、晶圓代工廠，工具和設(shè)備制造商等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的支持才行。