《新型存储器MRAM（三）：FD-SOI MRAM》
| 出自：战略研究室
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
| 作者：朱雷
2018-10-15 15:57 发表于上海
本文为该系列的最后一篇，查看前文请点击：《新型存储器MRAM（一）：技术解析》、《新型存储器MRAM（二）：产业洞察》
四. FD-SOI在MRAM中的应用前景
STT-MRAM器件制备工艺的一个关键特殊是它使用标准的CMOS晶体管，磁隧道结结构是在生产线后道工序（BEOL）完成的（图14）。磁隧道结的制造过程只需要在现标准CMOS工艺中额外添加几个（例如在eMRAM中是3个）掩膜步骤，这使得制造过程是无缝的。如器件的尺寸能够不断微缩，则有利于大高集成、低成本的MRAM产品的生产。
随着磁性材料和制程的进步，现在磁隧道结的尺寸已经可以做到8nm，与时下先进的半导体工艺制程相当。目前影响MRAM性能的因素不仅在于磁隧道结，而且也在于CMOS晶体管。主要原因是翻转磁隧道结中磁矩的效率有待改进。翻转磁矩要有足够大的写入电流，晶体管就要够大；但是由于磁隧道结尺寸缩小，要翻转它的磁矩所需的电流下降。因此，晶体管需要再微缩并降低功耗，以提高磁矩的翻转效率。
目前在售的MRAM产品多为独立存储器，它们只是众多存储器的一种，而且成本较高，只能在特定利基市场应用。如果可持续微缩、高集成度的eMRAM能够应用在嵌入式存储器，则MRAM有望打入消费电子市场。综合考虑MRAM产业发展的状况以及eMRAM的应用潜力，最近几年，拥有先进半导体制造技术的大厂Samsung、GlobalFoundries、TSMC、UMC等选择从先进工艺节点切入，整合标准的CMOS工艺和特殊的磁隧道结工艺，布局eMRAM。它们采用的典型先进CMOS工艺技术路线主要有两类，一类是FD-SOI CMOS技术，另一类是体硅CMOS技术（包括体硅平面结构和体硅FinFET结构）。
图14 MTJ和CMOS的集成工艺截面图（以eMRAM为例）
(一) FD-SOI 和体硅比较
以下通过从功耗、成本、抗辐照特性等方面比较FD-SOI技术和体硅技术，分析说明FD-SOI在MRAM中的优势。
1. 功耗：以ARM Cortex A7处理器为例，对于1.2GHz频段，与28nm体硅工艺相比，22nm FD-SOI性能提升了50%，功耗降低了18%。在加上体偏压技术（body-bias，BB）之后，22nm FD-SOI的功耗将再降低92%，并且工作电压可以做到业界最低的0.4V；与更小节点14nm体硅FinFET相比，22nm FD-SOI并无功耗上的优势，不过随着技术节点不断减小，FD-SOI的低功耗性能将会增强。
图15 不同工艺制程的ARM Cortex A7处理器的功耗比较
2. 成本：300mm FD-SOI晶圆的成本是同等尺寸体硅的三到四倍，约占总工艺成本的10％左右，但是FD-SOI的工艺制程较体硅FinFET简单，从而降低了总成本。GlobalFoundries的22nm FD-SOI工艺光刻层比16/14nm FinFET工艺减少接近50%，芯片成本降低两成多。IBS估计（图16），在相同的条件下，12nm FD-SOI要比16nm FinFET成本低22.4%，比10nm FinFET低23.4%，比7nm低27%。
图16 不同工艺的每栅极成本对比
3. 抗辐照: 由于BOX层的存在，FD-SOI在抗辐照方面比体硅工艺表现优越。例如采用28nm FD-SOI制备的存储器的软错误率（Soft Error Rat，SER）大大改善（图17）。
图17 不同工艺的存储器的SER比较（中子作为辐照源）
可见，在性能和功耗方面，FD-SOI可以与体硅FinFET相比拟，而前者的晶体管结构更简单、成本更低。除此之外，FD-SOI优良的抗辐照特性，可以进一步改善存储器的软错误免疫性。因此，FD-SOI在MRAM的应用中具有很强的竞争力。
(二) 四大半导体制造厂的MRAM布局
从2016年开始，全球知名半导体制造厂商GlobalFoundries、Samsung、TSMC和UMC都开始发力eMRAM，它们计划在未来几年时间框架内至少为嵌入式MCU引入eMRAM。四大晶圆厂的最新动态如下：2016年，GlobalFoundries计划采用22nm FD-SOI工艺生产eMRAM。目前GlobalFoundries正和eVaderis联合开发基于eMRAM的MCU产品；2017年，Samsung研制出世界第一款采用28nm FD-SOI工艺的eMRAM测试芯片。目前，该产品正在风险测试阶段；2017年，台积电也宣布将采用22nm体硅FinFET工艺生产eMRAM芯片，预计2018年底试产；2018年，UMC宣布与Avalanche合作研发28nm工艺的eMRAM存储芯片。在28nm工艺之外，两家公司还考虑将合作范围扩展到28nm以下的工艺中去。
对比来看，如表3所示，四大晶圆厂中的两家GlobalFoundries和Samsung分别采用28nm FD-SOI和22nm FD-SOI工艺上制备提供eMRAM，显示了FD-SOI在eMRAM中的应用价值。在CMOS技术方面，自从GlobalFoundries于2015年推出了22FDX以来，FD-SOI工艺技术不断进步，产业生态也不断完善，越发具备与体硅FinFET竞争的能力；在MRAM技术方面，GlobalFoundries通过战略投资Everspin，获得了世界最先进的MRAM技术，并已经有生产256Mb MRAM量产品的经验。而Samsung通过收购Grandis获得了很好的技术积累。目前，Samsung正致力于开发同时集成FD-SOI Logic、RF和eMRAM的IoT芯片。另外，在市场方面，Samsung是存储器的龙头企业，仅在DRAM市场就据了46%的份额，垄断地位稳固。因此，GlobalFoundries和Samsung将可利用各自的技术优势和市场优势，助力基于FD-SOI工艺的eMRAM产业化。
表3 四大半导体制造厂开发eMRAM采用的工艺平台
五. 总结
近年来，国际著名半导体公司争相加入MRAM的阵营，将有力地带动MRAM产业的发展，而eMRAM将会是MRAM产品继独立器件之后的主攻方向。但当下MRAM是产品周期的导入期，其存储密度还不够高，成本也不具备竞争力，仍无法完全替代SRAM和DRAM。FD-SOI先进工艺在实现MRAM器件的功耗、成本和软错误降低方面具有优势，将在拓展MRAM的应用市场中发挥重要作用。
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本文为SIMIT战略研究室原创
