全球首款 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存取(MRAM)存儲(chǔ)器，相關(guān)研究成果收錄于 2025 年國(guó)際電子器件會(huì)議磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 / 阻變存儲(chǔ)器專題論文集

汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)高可靠性、高性能半導(dǎo)體存儲(chǔ)方案的需求持續(xù)攀升。現(xiàn)代汽車對(duì)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)功能、復(fù)雜信息娛樂(lè)平臺(tái)的依賴度日益提高，而這些系統(tǒng)均需要能在極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的存儲(chǔ)器。在各類新興存儲(chǔ)技術(shù)中，嵌入式磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器憑借其非易失性、高耐久性以及高速讀寫(xiě)的特性，成為極具潛力的優(yōu)選方案。這款專為汽車應(yīng)用打造的 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其研發(fā)成功成為該領(lǐng)域的重要技術(shù)里程碑。

汽車存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)之一，是確保產(chǎn)品在 **-40℃至 150℃** 的寬溫域內(nèi)可靠工作。與消費(fèi)電子不同，汽車系統(tǒng)即便長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，也必須保證數(shù)據(jù)的完整性和功能的穩(wěn)定性。這一嚴(yán)苛要求對(duì)存儲(chǔ)器架構(gòu)提出了極高挑戰(zhàn)，尤其是在向 8 納米這類先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)的過(guò)程中。工藝節(jié)點(diǎn)的微縮雖能提升存儲(chǔ)器密度和性能，卻也加劇了各類失效風(fēng)險(xiǎn)，包括短路缺陷、讀取裕量衰減以及數(shù)據(jù)保持能力下降等問(wèn)題。

此次 8 納米 128 兆位嵌入式磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器研發(fā)的一大突破，是將存儲(chǔ)單元面積大幅微縮至0.017 平方微米。該工藝微縮方案在提升存儲(chǔ)密度、實(shí)現(xiàn)與先進(jìn)邏輯工藝節(jié)點(diǎn)高度集成的同時(shí)，也增加了制程的復(fù)雜性。存儲(chǔ)單元密度的提高，會(huì)導(dǎo)致芯片制造過(guò)程中因材料再沉積、圖形化工藝難度增加而引發(fā)短路失效的概率上升。為解決這一問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)集成工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，大幅降低了制程中的缺陷數(shù)，使得短路失效中位比特?cái)?shù)顯著減少。最終實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)分之一以下的短路失效率，這一成果證明，通過(guò)精細(xì)化的工藝優(yōu)化，高密度工藝微縮與車規(guī)級(jí)可靠性完全可以兼顧。

工藝微縮后的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，另一關(guān)鍵問(wèn)題是維持足夠的讀取裕量。在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中，后端金屬化工藝的熱預(yù)算增加，熱遷移現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致磁隧道結(jié)的性能退化，尤其是隧道磁阻特性的衰減。隧道磁阻數(shù)值降低，會(huì)縮小磁隧道結(jié)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)而增加讀取錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化磁隧道結(jié)疊層結(jié)構(gòu)，尤其是精細(xì)調(diào)控自由層的成分，讓器件的熱耐受性得到顯著提升。經(jīng)熱處理后，氧化鎂勢(shì)壘層的結(jié)晶度優(yōu)化，不僅有效抑制了單元間漏電，還實(shí)現(xiàn)了隧道磁阻的提升，從而拓寬了讀取裕量。這些技術(shù)改進(jìn)，讓器件即便在高溫環(huán)境下，讀取失效率也能控制在百萬(wàn)分之一級(jí)別。

寫(xiě)入性能與數(shù)據(jù)保持能力的平衡，是研發(fā)過(guò)程中另一大難點(diǎn)。車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求存儲(chǔ)器兼具低寫(xiě)入錯(cuò)誤率和優(yōu)異的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保持能力，其中高溫環(huán)境下的數(shù)據(jù)保持時(shí)間通常要求超過(guò) 20 年。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，若優(yōu)化器件以降低寫(xiě)入切換難度，其熱穩(wěn)定性會(huì)受影響，反之亦然。為平衡這一矛盾，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)釘扎層進(jìn)行了優(yōu)化，定制化設(shè)計(jì)其平行態(tài)與反平行態(tài)切換特性的不對(duì)稱性。通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)磁疊層結(jié)構(gòu)，工程師找到了最優(yōu)的不對(duì)稱性平衡點(diǎn)，在保證數(shù)據(jù)保持能力的同時(shí)，將整體比特錯(cuò)誤率降至最低。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還降低了切換電流的溫度依賴性，改善了低溫環(huán)境下的寫(xiě)入可靠性 —— 低溫環(huán)境下原本通常需要更高的寫(xiě)入電流。

除了釘扎層的優(yōu)化，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)一步降低了器件的切換電流需求。磁隧道結(jié)設(shè)計(jì)的改進(jìn)拓寬了切換電流窗口，既降低了滿足寫(xiě)入錯(cuò)誤率標(biāo)準(zhǔn)所需的電壓，又大幅優(yōu)化了電流分布的尾部特性。這些改進(jìn)最終讓器件的寫(xiě)入錯(cuò)誤率和數(shù)據(jù)保持比特錯(cuò)誤率均達(dá)到百萬(wàn)分之一以下的水平，有效消除了由這兩類失效機(jī)制導(dǎo)致的良率損失。

最后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了全面的芯片級(jí)驗(yàn)證，證實(shí)該存儲(chǔ)器在整個(gè)車規(guī)溫域內(nèi)，讀寫(xiě)操作均可實(shí)現(xiàn)全功能正常運(yùn)行。通過(guò)什穆圖曲線分析驗(yàn)證，器件擁有優(yōu)異的電壓和時(shí)序裕量，即便是在最惡劣的工況下，讀取速度仍可達(dá) 8 納秒。這一性能表現(xiàn)不僅印證了器件的高可靠性，也使其在高速嵌入式應(yīng)用中具備極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

核心結(jié)論：這款面向汽車應(yīng)用的 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器研發(fā)成功，證明高密度工藝微縮與嚴(yán)苛的可靠性要求能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)集成工藝創(chuàng)新、磁隧道結(jié)疊層設(shè)計(jì)優(yōu)化以及磁層結(jié)構(gòu)改良，讓該器件在滿足百萬(wàn)分之一以下失效率目標(biāo)的同時(shí)，還能在極端溫域下保持高性能。此項(xiàng)技術(shù)突破奠定了嵌入式磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在下一代汽車電子領(lǐng)域的主流存儲(chǔ)方案地位，為打造更安全、更智能、更互聯(lián)互通的汽車產(chǎn)品鋪平了道路。