随着嵌入式相变存储器的出现，用于嵌入式应用程序的下一代存储器市场变得越来越拥挤。相变存储器并不是什么新鲜事物，已经使用了数十年。但是，由于存在许多技术和成本方面的问题，从实验室进行到商业化花费了很长一段时间。 相变存储器是一种非易失性存储器类型，可以通过更改材料的状态来存储数据，因此具有吸引力，因为它相较于具有更好耐用性，而且比当今的闪存拥有更快的传输速度。

像许多新的内存类型一样，相变内存有两种形式-独立和嵌入式。一段时间以来，英特尔一直在出售一种称为3D XPoint的设备，这是一种基于相变的下一代内存。英特尔出售用于固态存储驱动器（SSD）和其他产品的3D XPoint设备。此外，美光也正在开发这项技术。

现在，意法半导体正在基于嵌入式相变存储器的产品样品。它正在开发一种基于28nm FD-SOI技术的具有嵌入式相变的汽车微控制器（MCU）。迄今为止，意法半导体是唯一一家宣布研发出嵌入式相变的公司。

嵌入式市场不同于独立设备市场。在嵌入式中，MCU集成了用于代码存储的闪存，该闪存可启动设备并运行各种程序。通常，该行业将NOR闪存用于嵌入式存储器，但是NOR很快就用光了，可能会停止在28nm或22nm处扩展。

这就是嵌入式相变以及其他下一代内存类型适用的地方-当它们停止扩展时，它们有望取代NOR。除了相变之外，嵌入式应用程序的其他竞争者还包括碳纳米管RAM，FeFET，FRAM，MRAM和ReRAM。

但是，转移到下一代嵌入式存储器类型具有挑战性。有些技术几乎还没有准备好，而另一些仍在研发中。目前还不清楚哪种新的内存类型将长期占据主导地位。

“现在说还为时过早，” Objective Analysis分析师吉姆·汉迪（Jim Handy）说。“ MRAM的噪音最大，但这并不一定意味着它赢得了这场战斗。这么说可能还为时过早。”

随着时间的流逝，OEM可能会采用几种新的内存类型，因为没有一种技术可以解决所有应用程序。但是在OEM采取任何措施之前，产品必须满足一定的价格和性能规格。

下一代内存狂热

如今，微控制器（MCU）用于多种系统，例如飞机，家用电器，汽车和医疗设备。MCU执行芯片中的处理功能，并在同一设备中整合各种组件，例如SRAM，嵌入式存储器和外围设备。

SRAM存储数据和常用指令。嵌入式存储器基于EEPROM或NOR闪存。汉迪说：“有了EEPROM，每个位是两个晶体管，每个字节都可以擦除或重新编程。” “在具有NOR闪存的每个模块上，我们都有一个巨大的晶体管来擦除该模块上的所有位。与每位两个晶体管相比，巨大的晶体管仍节省了大量芯片空间。”

对于嵌入式市场，下一代存储器针对两种应用。“所有嵌入式技术都在争夺同样的奖项，以取代嵌入式EEPROM和NOR闪存，甚至最终取代嵌入式SRAM。”

SRAM传输速度很快，但是占用了太多空间。因此，业界正在开发一种新的存储器来替代全部或部分SRAM。MRAM是领先的竞争者，但该技术仍必须在现场进行验证。

嵌入式MRAM旨在实现处理器和MCU中基于SRAM的缓存功能。

Applied Materials内存技术总经理Gill Lee说：“缓存的级别不同。” “一级缓存是SRAM。2级缓存是SRAM。目前，三级缓存也是SRAM，它是应用处理器或微处理器中最大的区域。嵌入式内存的目标之一是替换该3级缓存。如果STT-MRAM可以代替此3级高速缓存SRAM，则可以节省该区域。就单元大小而言，SRAM很大，但MRAM可以小得多。”

嵌入式NOR闪存（有时也称为eFlash）是另一个存在其他问题的应用程序。具有基于40nm工艺及更高工艺的嵌入式NOR的MCU现已投入生产。然后，工作中的28nm MCU逐渐增加到22nm和更小的几何尺寸。

问题在于，很难在28nm / 22nm及更高的尺度上扩展NOR。该技术在每个节点上需要更多的掩模，从而增加了成本。UMC产品营销总监David Hideo Uriu表示：“许多人认为28nm / 22nm将会成为eFlash的终结，这不是因为可扩展性方面的限制，而是因为经济壁垒。” “您能否将嵌入式闪存扩展到28nm以上？简短的答案是肯定的，因为我们将在我们的22nm节点中支持它。但是宏设计与我们的28nm基本相同。”

无论如何，业界需要一种新的28nm / 22nm及以后的嵌入式解决方案，而下一代存储器有望填补这一空白。新的存储器类型也针对独立设备市场。

下一代存储器已经进行了多年的研发，过去的共识是它们将取代当今具有各种局限性的存储器类型，例如DRAM，闪存和SRAM。

例如，DRAM很便宜，但它也是耗电量很大的设备。关闭系统电源时，它将丢失数据。然后，即使电源关闭，闪存也会存储数据。但是，在操作中，闪存在编程时会经历多个读/写周期，这是一个缓慢的过程，很费时间。

新存储器之所以具有吸引力，是因为它们将SRAM的速度和闪存的非易失性结合在一起，具有无限的耐用性。它们还提供编程时的单位可变性。

但是，新的存储设备的开发需要比预期更长的时间。大多数使用异国情调的材料和交换方案来存储信息，并且它们在fab中提出了一些制造挑战。另外，现有的存储器比以前想象的要扩展得多，而且价格便宜。这些因素和其他因素阻碍了新内存类型的广泛采用。

尽管如此，用于独立应用程序的MRAM和相变已经上市并取得了一些进展。但是，它们并没有取代传统的记忆。相反，它们使用现有内存来帮助加快系统中的各种任务。

在嵌入式市场中，随着MRAM和其他技术的发展，FRAM和ReRAM已经出货了一段时间。

由于一种产品不能做所有事情，因此需要多种内存类型。TEL公司企业创新部副总经理Aki Sekiguchi说：“有很多选择。” “多种解决方案可以适用于不同的应用程序和设备。”

使用一种或另一种技术的决定取决于多个因素。“我有什么要求？持续多长时间？剩下的就是它是否满足所有可靠性要求和性能要求。然后，汽车工业就有自己的一套要求，而且要求会越来越严格。”关口说。

大型测试将在今年进行，届时MRAM和ReRAM的制造商将尝试在嵌入式方面取代NOR。UMC的Uriu表示：“对于嵌入式非易失性存储器市场，嵌入式MRAM和ReRAM将于2019年开始出现行业销量。” “由于它们的开发时间长，MRAM似乎可能比ReRAM稍微领先。由于它只是针对消费级和汽车级产品，因此我们还没有看到大量的产品。但是，如果我们展望2020年及以后，该行业将有望实现高速增长。”

MRAM、ReRAM与PCM

如今，随着多家代工厂商正在为客户开发该技术，嵌入式MRAM的势头正在增强。GlobalFoundries，三星，台积电（TSMC）和联电（UMC）正在开发下一代MRAM技术，称为自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）。STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片中提供非易失性。

在传统的存储器中，数据被存储为电荷。相反，MRAM使用磁隧道结（MTJ）存储单元作为存储元件。

STT-MRAM芯片正逐步进入市场，以用于SSD中。对于此应用，温度要求不太严格。

汽车市场是具有嵌入式存储器的MCU的巨大市场，它具有不同的要求。“用于汽车MCU的任何新兴非易失性存储器都必须通过严格的可靠性规范。它必须满足回流焊要求，高可靠性和超过20年的保存期限。汽车应用需要125°，而0级需要150°” Uriu说。

对高级驾驶员辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术的要求甚至更高。ADAS涉及汽车的各种安全功能，例如自动紧急制动和车道检测。

GlobalFoundries的MRAM技术专家Kangho Lee在最近的一篇论文中表示：“随着始终连接的自动驾驶汽车越来越接近现实，对汽车应用中对高密度和高能效嵌入式非易失性存储器解决方案的需求有望增长。” “要使新兴的嵌入式非易失性存储器技术用于汽车应用，至关重要的是要验证嵌入式非易失性存储器能够在汽车级工作温度范围内满足亚ppm误码率（BER）和耐久性/数据保留要求。”

在一个重大的里程碑中，GlobalFoundries最近展示了一种22纳米FD-SOI技术，该技术结合了适用于汽车1级（Auto-G1）MCU应用的40 Mbit嵌入式MRAM。该技术已证明在Auto-G1工作温度范围（-40°C至〜150°C）中经过1百万次耐力循环后，BER达到亚ppm级，零故障。

同时，中芯国际，台积电和联电正在开发面向消费者应用的嵌入式ReRAM。在ReRAM中，开关介质位于顶部和底部电极之间。当在顶部电极上施加正电压时，两个电极之间会形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负电压时，导电丝会断裂。

最新的具有竞争力的产品是相变存储器，有时称为PCM。相变存储技术基于一种在正常环境温度下可以是非晶或结晶的材料。晶态的电阻低，而非晶态的电阻高。相变存储器的名称源于位单元在晶相和非晶相之间切换的事实。这是通过使位单元通过使电流流过然后使其以不同的速率冷却来对其进行控制的。”

市场上有不同类型的PCM存储单元。在一个版本中，相变存储单元由四部分组成：底部电极，顶部电极，加热器和GST材料。GST材料放置在顶部电极下方。底部电极是分开的。类似于通孔的加热器将底部电极连接到GST /顶部电极结构。在操作中，加热器在晶态和非晶态之间改变电池。

MCU旨在满足汽车的严格要求。STMicroelectronics的技术开发总监Franck Arnaud表示：“汽车应用通常需要在高温下具有高度的可靠性。“在所有提议作为能够替代浮栅单元的创新解决方案的电阻式存储器中，相变存储器是唯一被证明能够同时满足汽车要求（在150°C的情况下保持数年的数据）并能够保证代码完整性的存储器。在多兆位阵列上焊接回流温度曲线（峰值温度260°C）后。”

但是，嵌入式PCM必须在现场进行验证。在工厂中制造所有相变存储器件还存在一些技术和成本挑战。

相变存储器基于异质合金锗锗碲（GST）化合物，该化合物是硫族化物。

“相变存储器使用硫族化物玻璃，必须将其与硅隔离以避免污染，” Objective Analysis的Handy说。“在1990年代开始将铜用于互连时，便开发出了良好的隔离技术，因此这并不是一个障碍。相变存储器还比ReRAM或MRAM对温度更敏感，但是对于大多数焊料回流要求，它已得到充分解决。”

通常，每种相变类型在Fab中都需要不同的工艺步骤。例如，要在制造厂制造交叉点器件，第一步是使用交替沉积工艺生产一堆材料。简而言之，沉积工具将底部电极材料沉积在基板上，然后沉积GST材料，最后沉积顶部电极材料。

然后，使用传统的光刻工具在堆栈上对各个支柱进行构图。蚀刻图案，形成成为PCM单元的单个柱状结构。然后，形成字线和位线。

这个过程很复杂，面临着各种挑战。在交替沉积步骤中，该想法是使具有干净界面且无缺陷的均匀堆叠成为可能。但是真正的最大挑战是蚀刻工艺。反应离子刻蚀（RIE）是刻蚀堆栈的一种方法，可以通过化学工艺轰击表面来有效地雕刻出结构。

但是，在RIE中，GST材料可能对等离子体能量敏感，从而引起热损伤。因此，该行业正朝着离子束蚀刻（IBE）工具迈进。在IBE中，蚀刻机制是通过用离子轰击结构来进行的。

“我们看到的是，在实现缩放和新技术方面，尤其是在新材料和蚀刻能力方面，对设备创新的依赖性越来越高。“我们已经在3D NAND和PCM和MRAM等新兴存储器中看到了这一点，” Lam Research高级技术开发公司副总裁Yang Pan表示。“所有这些新存储技术都依赖于新材料和蚀刻工艺。IBE等设备创新是新内存技术成功的基础。”

还有其他挑战。通常，DRAM，NAND和闪存是在存储工厂中制造的。在嵌入式中，下一代存储器技术（例如MRAM和相变）内置在逻辑工厂中。

在逻辑晶圆厂中，器件的晶体管部分采用所谓的前端生产线（FEOL）制成。然后，将该设备运送到称为后端后端（BEOL）的独立制造厂。BEOL是在芯片中制造金属层和微小铜互连的地方。

通常，在逻辑工厂的BEOL中内置嵌入式MRAM，相变等。通常，嵌入式存储器建立在芯片金属层之一的触点或通孔之上。

台积电（TSMC）研究员JY Wu说：“对于嵌入式存储器应用，与其兼容性至关重要。” “最小化工作电流需要对PCM材料进行优化，同时对存储单元结构进行电热设计。”

尚不清楚台积电是否计划为代工客户提供嵌入式相变。它取决于需求，成本和其他因素。这适用于MRAM和ReRAM，以及研发中的其他技术，例如碳纳米管RAM和铁电FET（FeFET）。

究竟哪种技术将成为最终的赢家？目前尚不清楚。尘埃未定，让我们静观其变。