传统的RAM较量机芯片只要电畅通过就存储信息。封闭电源后，除非将信息复制到硬盘驱动器或USB闪存驱动器，不然信息将丢失。相反，MRAM在电源割断后保留数据。用MRAM替代DRAM能够防止数据丢失并使较量机可以立刻启动而无需守候软件启动。
市场上有一些商用MRAM产物。2012年，Everspin Technologies公司推出了64 Mb STT-RAM模块--Everspin在其..材估中使用了首字母缩略词ST-MRAM - 与其时的尺度DDR3 RAM接口完全兼容，并采用典型的DDR3外形封装。
2013年，Buffalo Technology成为第一家公布Everspin ST-MRAM模块贸易应用的公司，将其用作串行高级手艺附件（SATA）III 固态硬盘作为高速缓存。IBM和三星于2016年7月结合公布他们能够制造11纳米的MRAM。同年4月，三星公布即将推出MRAM产物。
尽管已经有几家芯片制造商推出了名为STT-MRAM的下一代存储器类型，但今朝来看，STT-MRAM仍存在很多制造和测试的挑战。
STT-MRAM的面临的挑战
STT-MRAM非常具有吸引力，因为它将几种常规存储器类型的属性连系在一个器件中。在多年的研发工作中发现，STT-MRAM具有SRAM 的速度和闪光的无波动性以及无限的耐力。STT-MRAM行使电子自旋的磁性在芯片中供应非挥发性特征。
但这项手艺也很复杂，这就是为什么它需要比预期更长的时间。Everspin正在发卖用于固态存储驱动器（SSD）的自力STT-MRAM设备。同时，五家芯片制造商 - GlobalFoundries，英特尔，台积电，三星和联华电子 - 一向在斥地和/或提拔STT-MRAM的嵌入式版本。
尽管如斯，芯片制造商在晶圆厂面临一些挑战，需要改善现有器件并将其扩展到28nm或22nm以上。此外，测试在这里施展了主要感化。STT-MRAM需要新的测试设备，用于测试设备的磁场。然后，该设备在流程中的各个位置经受严厉的测试，例如晶圆厂，测试..甚至后测试。
尽量如斯，挑战仍然存在。“当MRAM芯片在强磁场中运行时，MRAM测试中新的仍有待解决的部门就会发生，”Intuitive Cognition Consulting的负责人Dave Eggleston说。“对于非磁性设备，您不必担心这一点。对于MRAM，这是一个新的考虑身分。平日，在把持时代需要强磁场来干扰垂直STT-MRAM。这是要验证的器材，但一定是一个能够解决的问题。“
是以，业界需要亲切存眷STT-MRAM。“嵌入式范畴正处于客户使用该手艺进行设计的阶段。我们如今处于18个月到两年的周期中，芯片与嵌入式MRAM一路显现，“Eggleston说。
什么是MRAM？凭据Coughlin Associates和Objective Analysis的数据，MRAM 仍是一个小市场，2017年的买卖规模为3600万美元。凭据MKW Ventures Consulting的数据，估计到2020年MRAM市场总量将达到3.25亿美元。
STT-MRAM，相变存储器 （PCM）和电阻RAM （ReRAM）是目前生产的新型存储器类型。每种手艺都是分歧的，针对各类应用。
英特尔的3D XPoint手艺就是PCM的一个例子。PCM以非晶相和结晶相存储信息。ReRAM基于电阻器元件的电子开关。
分歧的是，STT-MRAM因为几个原因而具有吸引力。“MRAM具有很多吸惹人饮茶的特征，快速（随机读写），非易失性和低功耗，而且具有低成本潜力，因为存储器阵列只能嵌入芯片的后端互连层此外三个面具，“ 应用材料公司 记忆手艺总司理Gill Lee 在比来的博客中说。
STT-MRAM由具有磁地道结（MTJ）存储器单元的单晶体管架构构成，其用作存储元件。“MRAM使用磁存储元件而不是传统的电荷来存储数据。每个单元由两个磁铁构成：一个是固定的，另一个是能够翻转的。当磁铁彼此平行时，电阻低; 当第二个磁铁翻转并回转偏向时，电阻很高。与PCM雷同，阻力的转变与'0'或'1'数据值相关，“ Lam Research的 高级手艺总监Alex Yoon 在博客中注释道。
图1：STT-MRAM的MJT细胞。资料起原：Lam Research
这是一项复杂的把持，有几个挑战。“MRAM具有扭转的特征，” Advantest 记忆测试系统规划部高级工程师Naoyoshi Watanabe说。“电子像扭转一般扭转。它经由施加的电流改变偏向。偏向转变的时间具有量子概率，取决于扭转角度。“
STT-MRAM也轻易显现转变，这或者会导致一些靠得住性问题。STT-MRAM面临的最大挑战是所谓的“读取干扰”。当您扩展单元时，读写电流会缩小并彼此变得太近。这反过来或者在把持时代干扰读取单元。
还有其他问题。今天，业界正在斥地基于28nm或22nm的MRAM。“STT-MRAM手艺无疑能够从2xnm节点扩展到1xnm节点。它是否能够扩展到7nm或5nm还有待计较，“Intuitive Cognition的Eggleston说道。
尽管如斯，STT-MRAM正在向前推进并针对两个嵌入式和自力应用法式。现在，Everspin是独一一家供应自力零件的公司。它采用基于40nm的256Mbit器件，同时采样28nm 1Gbit器件。
代工场专注于嵌入式MRAM，它分为两类 - 嵌入式闪存替代懈弛存。平日，微掌握器（MCU）在统一芯片上集成多个组件，例如CPU，SRAM和嵌入式存储器。基于NOR闪存，嵌入式闪存（eFlash）用于代码存储。
业界正在推出采用嵌入式NOR的28nm MCU，研发中采用16nm / 14nm芯片。然则很难在28nm及更高的局限内扩展嵌入式NOR。它需要更昂贵的掩模步伐。“好多人认为28nm / 22nm将成为eFlash的终结，不是因为可扩展性的限制，而是因为经济障碍，” UMC 产物..总监David Hideo Uriu说。
这就是嵌入式STT-MRAM适用的处所。它适用于庖代28nm / 22nm及以上的嵌入式NOR。STT-MRAM还能够替代或增加MCU，微处理器或片上系统中的SRAM。
汽车，物联网和其他应用是MRAM的增进动力之一。“UMC正在预备我们的28nm / 22nm手艺，以eMRAM作为..根蒂，规划在2019年下半年预备好，”Uriu说。“我们相信MRAM是下一个存储海潮。MRAM机能和低功耗以及持久性是MRAM对很多应用非常天真的首要原因。例如，MRAM可用于极低功耗设计，例如可穿戴设备，基于RFID的应用，如智能标签或跟踪器，以及边缘和云应用等机能需求。一个例子是数据中心，个中电力是其运营成本的最高部门。“
Uriu看到三个MRAM应用法式。“一个是嵌入式MRAM。MRAM宏嵌入或集成在MCU中。此外，高密度MRAM适用于缓存，加快NAND闪存，或作为SRAM应用的替代品，“他说。“然后，你将MRAM作为持久的DRAM替代品。这适用于义务要害型企业应用法式，个中功率损耗和内存丢失会严重影响客户端或降低功耗。“
MRAM和其他下一代存储器类型也是机械进修的方针。今天的机械进修系统正在使用传统的内存，这会消费功率。“据估量，很大一部门功率用于简洁地移动数据，而不是实际的较量功能。机能的任何提高都能够改善机械进修功能。与现有的DRAM应用比拟，任何更低的功耗和持久性都能够大大节约功耗，“他增补道。
制造，测试MRAM
同时，MRAM涉及新材料，集成方案和设备的斥地。流程取决于它是自力设备照样嵌入式设备。
对于嵌入式，该过程始于传统晶圆厂，芯片制造商在此制造器件。然后，该器件被输送到一个称为后端（BEOL ）的自力晶圆厂，个中金属层和微小铜互连以芯片制造。
在器件中，晶体管位于构造的底部。位于晶体管顶部的互连 由微小的铜布线方案构成，可将电旌旗从一个晶体管传输到另一个晶体管。在互连客栈中，逻辑芯片具有9到12个金属层。每个层经由过孔保持到另一个层。
芯片制造商在金属层之间采用嵌入式STT-MRAM。例如，在英特尔的22nm finFET手艺中，嵌入式MRAM放置在互连客栈中的金属2和金属4之间。
被称为MTJ的STT-MRAM单元由基于氧化镁（MgO）的介电地道反对膜构成。地道势垒（MgO）夹在两个基于钴 - 铁 - 硼（CoFeB）化合物的铁磁层之间。CoFeB层为10至30埃。
图2：（a）MTJ客栈。（b）侧视图。（c）顶视图。资料起原：应用材料
为了制造MTJ单元，第一步是使用沉积系统在底部电极上形成这些材料的多层堆叠。薄膜叠层可具有20至30层。“需要在原始，低于大气压，高真空前提下使用物理气相沉积方式沉积很多金属和绝缘层。必需正确掌握和测量每一层，“应用材料公司的Lee说。
这里是STT-MRAM与大多数器件分歧的处所 - 在沉积后进行测试步伐。使用新的和非常规的方式，系统将磁场施加到堆叠以确保材料的性质相符规范。
为此，一家初创公司Hprobe正在斥地一种MRAM笼盖晶圆测试仪。该系统由磁发生器测试头构成，适用于尺度晶圆探测器。“测试是在沉积薄层MRAM叠层后完成的，”Hprobe首席手艺官Siamak Salimy说。“这种新型磁发生器能够发生2.5特斯拉以上的垂直场，而且能够在不到500毫秒的时间内运行滞后曲线。”
Hprobe的系统凭据磁光克尔效应进行测量。这涉及从磁化外观反射的光的转变。特斯拉或T透露系统的磁场强度。
在该步伐之后，该装配遵循更传统的工艺流程，个中膜堆叠酿成MTJ单元。MTJ细胞雷同于微小的纳米柱。
为了制造纳米柱状MTJ，将硬掩模施加在叠层上的一部门上。使用回响离子蚀刻对象或离子束蚀刻或两者蚀刻其他部门。“MRAM器件的蚀刻步伐是制造过程中最具挑战性的，”Lam的Yoon说。“钴 - 铁和钴 - 铁 - 硼磁性层难以蚀刻，因为它们不易与等离子气体形成挥发性化合物，是以能够将它们除去。”
更多测试
然后，封装最终的MTJ构造，形成具有嵌入式MRAM的芯片。从那边起头，器件在测试阶段被送到晶片分类。传统上，在晶片分类中，当芯片仍然在晶片上时，在芯片长进行电测试。然后，使用主动测试设备（ATE）封装和测试设备。
STT-MRAM的处理流程雷同，但这些设备的测试要求分歧。“在STT-MRAM测试中，需要测试手艺支撑错误位剖析及其在STT-MRAM芯片测量中的模式分类，”Advantest的Watanabe说。“能够经由在STT-MRAM的写把持时代流过MTJ的开关电流来识别错误位模式。然而，难以测量开关电流，因为开关发生在纳秒级而且电流非常低。此外，切换的实时测量是一项挑战，因为切换是基于量子力学的概率现象。“
尽管如斯，STT-MRAM照样履历了几个测试步伐。除了在线制造流程外，该器件还在测试..长进行测试，包罗晶圆探针和最终测试。然后是靠得住性测试。这在芯片制造商之间有所分歧。
对于晶圆探针，STT-MRAM需要专门的设备。Advantest和Hprobe正在斥地这种类型的测试手艺。例如，Hprobe为探头/参数步伐斥地了分歧的磁测试头手艺。基于磁发电机的测试头也在探测器长进行改装。简而言之，系统确定设备是否可以承受磁场而不会变为消磁。
“这是一个在晶圆顶部发生磁场的磁头。我们在探测设备的同时如许做。仅这一点就能够提取磁地道结的磁滞曲线，“Hprobe的Salimy说。“我们正在磁场下进行测试。有两个物理参数，与制造过程有关。这些被称为矫顽力场和热不乱性因子。矫顽力场根基上是切换器件的自旋并使磁地道结从低电阻电阻到高电阻电平所需的磁场量，反之亦然。热不乱性因子界说为将器件从一种状况切换到另一种状况的能量势垒与工作温度下的热能的比率。
与此同时，Advantest正在研究该范畴的多种解决方案，包罗测试模块以及用于晶圆分类应用的一对磁场应用测试系统。该模块与存储器测试器一路工作，测量STT-MRAM切换把持时代电阻的微小转变和当前转换时间的转变分布。此外，该公司还斥地了一种使用探测器的磁场测试系统，其额定值为±800mT max @ 10mm。
在一个零丁的系统中，它设计了一个带内置电磁铁的存储器测试仪。磁场规格为160mT，电磁铁保持到晶圆探测器。“能够用磁场施加系统进行以下评估：1）对外部磁场的磁场阻抗; 2）经由磁场辅助取代电压负载进行靠得住性评估; 3）经由存储单元0/1数据回转削减测试时间，“Advantest的Watanabe说。
晶圆分类只是解决方案的一部门。假设设备相符规范，则芯片使用尺度ATE进行最终测试步伐。为此，STT-MRAM的测试与任何其他存储设备一般。测试人员查察几个参数，例如位是否会切换。
平日，晶圆探针和最终测试为诸如DRAM和闪存之类的传统存储器以及大多数逻辑芯片供应了充沛的测试笼盖。然而，对于STT-MRAM来说，这还不敷。在一个或另一个阶段，芯片制造商还在设备长进行靠得住性测试。显然，若是手艺用于汽车或其他义务要害型应用法式，该手艺必需靠得住。
为此，芯片制造商正在使用定制设备来测试样品。“这就是他们用磁性元件测试芯片的处所。您能够将磁铁与设备慎密接触，并使用分歧强度的磁铁。然后他们看看有几多比特因数据保留而受到干扰。变量平日是磁场的强度，磁铁与钻头自己的接近水平以及温度，“Eggleston在Intuitive Cognition Consulting中说。
方针是解决一个重大问题。“MRAM最大的未知身分是磁力干扰，”Eggleston说。“对于eFlash或非易失性SRAM，我们从不担心这一点。如今，靠得住性测试是在芯片上完成的，无论它们是自力的照样嵌入式的。在这种情形下，当它处于断电状况时，您能够看到它是否能够休止数据保留，或许或者是在写入把持时代。若是您正在编写芯片而且存在磁场会发生什么？这是一个棘手的问题，因为你想要进行充沛强硬的测试，但你也进展它与实际世界相关。“
对于该步伐，方针是确定给定芯片的磁场靠得住性规格。今天，代工场正在陈述规范，但这或者会跟着时间的推移而改变。“那还在成长中。最终，将会有一个行业靠得住性尺度，用于磁场，静态和动态场，以及这些场的巨细和温度。温度对MRAM干扰有很大影响，“Eggleston说。
不外，该行业似乎正在解决很多这些问题和其他问题。STT-MRAM达莅临界质量只是时间问题。
如今，在研发方面，业界正在研究一种称为自旋轨道扭矩MRAM（SOT-MRAM）的将来MRAM手艺。它是STT-MRAM的更快版本，但它仍然处于起步阶段。但就今朝而言，STT-MRAM中的所面临的的挑战及破绽还须业内配合去面临、解决。
