車用存儲(chǔ)器的重要技術(shù)里程碑

（本文編譯自Electronic Design）

汽車技術(shù)的飛速發(fā)展推高了對(duì)高可靠性、高性能半導(dǎo)體存儲(chǔ)解決方案的需求。現(xiàn)代汽車對(duì)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能和復(fù)雜信息娛樂平臺(tái)的依賴度日益提升，這些系統(tǒng)均要求存儲(chǔ)器能在極端環(huán)境條件下無故障運(yùn)行。

在各類新興存儲(chǔ)技術(shù)中，嵌入式磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（eMRAM）憑借其非易失性、高耐久性以及快速讀寫的特性，成為極具潛力的優(yōu)選方案。一款專為車用場(chǎng)景定制的8納米128Mb嵌入式STT-MRAM的研發(fā)，成為該領(lǐng)域一項(xiàng)重要的技術(shù)里程碑。

車用存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)之一，是確保產(chǎn)品在-40℃至150℃的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。與消費(fèi)電子不同，車用系統(tǒng)即便長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，也必須維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和功能的穩(wěn)定性。這一嚴(yán)苛要求給存儲(chǔ)器架構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了巨大壓力，尤其是在向8納米這類先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)縮微的過程中。工藝節(jié)點(diǎn)的縮微雖能提升存儲(chǔ)密度和性能，卻也加劇了各類失效機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)，包括短路缺陷、讀取裕量衰減以及數(shù)據(jù)保持能力喪失。

8納米128Mb eMRAM研發(fā)的一項(xiàng)重大突破，在于將存儲(chǔ)單元大膽縮微至0.017平方微米。該縮微工藝雖實(shí)現(xiàn)了更高的存儲(chǔ)密度，也提升了與先進(jìn)邏輯工藝節(jié)點(diǎn)的集成度，卻同時(shí)加劇了制程復(fù)雜度。存儲(chǔ)單元密度的提升，會(huì)因制造過程中的再沉積問題和圖形化工藝難點(diǎn)，增加了短路失效的概率。

為解決這一問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)集成工藝進(jìn)行優(yōu)化，大幅降低了在線缺陷數(shù)，使得短路失效位的中位數(shù)值顯著減少。短路失效率達(dá)到亞百萬(wàn)分比(sub-ppm)級(jí)這一成果表明，在精細(xì)化的制程優(yōu)化加持下，高密度縮微與車規(guī)級(jí)可靠性能夠兼顧。

縮微后的MRAM技術(shù)，另一項(xiàng)核心問題是維持足夠的讀取裕量。在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，后段制程的熱預(yù)算不斷增加，熱遷移現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致磁性隧道結(jié)的性能衰減，尤其是隧穿磁阻特性的下降。隧穿磁阻值降低會(huì)縮小平行態(tài)與反平行態(tài)之間的電阻差，使得傳感窗口變窄，進(jìn)而提升讀取錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化磁性隧道結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，尤其是精細(xì)調(diào)節(jié)自由層的成分，讓器件實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的熱耐受性。經(jīng)熱處理后，氧化鎂勢(shì)壘層的結(jié)晶度得到提升，隧穿磁阻值隨之增大，讀取裕量也因此拓寬。加之圖形化工藝的優(yōu)化大幅抑制了單元間漏電，上述技術(shù)改進(jìn)讓器件即便在高溫環(huán)境下，讀取失效率也能達(dá)到百萬(wàn)分比級(jí)水平。

寫入性能與數(shù)據(jù)保持能力之間存在另一項(xiàng)難以平衡的制約關(guān)系。汽車行業(yè)規(guī)范既要求實(shí)現(xiàn)低寫入錯(cuò)誤率，也對(duì)高溫下的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保持能力提出嚴(yán)苛要求，通常要求高溫環(huán)境下數(shù)據(jù)保持時(shí)間超20年。然而，優(yōu)化器件以實(shí)現(xiàn)更容易的寫入翻轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降，反之亦然。

為平衡這一矛盾，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化釘扎層，定制平行態(tài)與反平行態(tài)翻轉(zhuǎn)特性的不對(duì)稱性。工程師們對(duì)磁性疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，確定了最優(yōu)不對(duì)稱點(diǎn)，在保證數(shù)據(jù)保持能力的同時(shí)，將整體位錯(cuò)誤率降至最低。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)降低了翻轉(zhuǎn)電流的溫度依賴性，改善了低溫環(huán)境下的寫入可靠性——低溫環(huán)境下通常需要更高的電流才能完成寫入操作。

除優(yōu)化釘扎層外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還提升了自旋轉(zhuǎn)移矩的效率，在不犧牲熱穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步降低了對(duì)翻轉(zhuǎn)電流的要求。通過改進(jìn)磁性隧道結(jié)的設(shè)計(jì)工藝，拓寬了翻轉(zhuǎn)電流窗口，既降低了滿足寫入錯(cuò)誤率規(guī)范所需的電壓，又顯著改善了分布尾部特性。這些優(yōu)化措施讓寫入錯(cuò)誤率和數(shù)據(jù)保持位錯(cuò)誤率均達(dá)到亞百萬(wàn)分比級(jí)，有效消除了由這類失效機(jī)制導(dǎo)致的良率損失。

最終，全面的芯片級(jí)驗(yàn)證證實(shí)，該器件在整個(gè)汽車級(jí)溫度范圍內(nèi)，讀寫操作均可實(shí)現(xiàn)全功能運(yùn)行。掃描圖分析結(jié)果顯示，器件具備優(yōu)異的電壓和時(shí)序裕量，即便在最壞工況下，讀取速度仍可達(dá)8納秒。這一性能不僅印證了器件的高可靠性，也使其在高速嵌入式應(yīng)用中具備競(jìng)爭(zhēng)力。

這款面向汽車應(yīng)用的8納米128Mb嵌入式STT-MRAM的成功研發(fā)，證實(shí)了高密度工藝縮微與嚴(yán)苛的可靠性要求能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)。通過集成工藝、磁性隧道結(jié)疊層設(shè)計(jì)和磁性層優(yōu)化方面的創(chuàng)新，該技術(shù)在滿足亞百萬(wàn)分比級(jí)失效目標(biāo)的同時(shí)，可在極端溫度下保持高性能。此類技術(shù)突破讓嵌入式磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器成為下一代汽車電子的主流存儲(chǔ)解決方案，為打造更安全、更智能、更互聯(lián)的汽車奠定了基礎(chǔ)。