車用存儲器的重要技術里程碑

（本文編譯自Electronic Design）

汽車技術的飛速發展推高了對高可靠性、高性能半導體存儲解決方案的需求。現代汽車對高級駕駛輔助系統（ADAS）功能和復雜信息娛樂平臺的依賴度日益提升，這些系統均要求存儲器能在極端環境條件下無故障運行。

在各類新興存儲技術中，嵌入式磁隨機存取存儲器（eMRAM）憑借其非易失性、高耐久性以及快速讀寫的特性，成為極具潛力的優選方案。一款專為車用場景定制的8納米128Mb嵌入式STT-MRAM的研發，成為該領域一項重要的技術里程碑。

車用存儲器設計的核心挑戰之一，是確保產品在-40℃至150℃的寬溫度范圍內穩定可靠運行。與消費電子不同，車用系統即便長期處于高溫環境，也必須維持數據的完整性和功能的穩定性。這一嚴苛要求給存儲器架構設計帶來了巨大壓力，尤其是在向8納米這類先進工藝節點縮微的過程中。工藝節點的縮微雖能提升存儲密度和性能，卻也加劇了各類失效機制的風險，包括短路缺陷、讀取裕量衰減以及數據保持能力喪失。

8納米128Mb eMRAM研發的一項重大突破，在于將存儲單元大膽縮微至0.017平方微米。該縮微工藝雖實現了更高的存儲密度，也提升了與先進邏輯工藝節點的集成度，卻同時加劇了制程復雜度。存儲單元密度的提升，會因制造過程中的再沉積問題和圖形化工藝難點，增加了短路失效的概率。

為解決這一問題，研發團隊對集成工藝進行優化，大幅降低了在線缺陷數，使得短路失效位的中位數值顯著減少。短路失效率達到亞百萬分比(sub-ppm)級這一成果表明，在精細化的制程優化加持下，高密度縮微與車規級可靠性能夠兼顧。

縮微后的MRAM技術，另一項核心問題是維持足夠的讀取裕量。在先進工藝節點中，后段制程的熱預算不斷增加，熱遷移現象會導致磁性隧道結的性能衰減，尤其是隧穿磁阻特性的下降。隧穿磁阻值降低會縮小平行態與反平行態之間的電阻差，使得傳感窗口變窄，進而提升讀取錯誤的風險。

研發團隊通過優化磁性隧道結疊層結構，尤其是精細調節自由層的成分，讓器件實現了更優的熱耐受性。經熱處理后，氧化鎂勢壘層的結晶度得到提升，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化大幅抑制了單元間漏電，上述技術改進讓器件即便在高溫環境下，讀取失效率也能達到百萬分比級水平。

寫入性能與數據保持能力之間存在另一項難以平衡的制約關系。汽車行業規范既要求實現低寫入錯誤率，也對高溫下的長期數據保持能力提出嚴苛要求，通常要求高溫環境下數據保持時間超20年。然而，優化器件以實現更容易的寫入翻轉，會導致其熱穩定性下降，反之亦然。

為平衡這一矛盾，研發團隊通過優化釘扎層，定制平行態與反平行態翻轉特性的不對稱性。工程師們對磁性疊層結構進行精細調節，確定了最優不對稱點，在保證數據保持能力的同時，將整體位錯誤率降至最低。此外，研發團隊降低了翻轉電流的溫度依賴性，改善了低溫環境下的寫入可靠性——低溫環境下通常需要更高的電流才能完成寫入操作。

除優化釘扎層外，研發團隊還提升了自旋轉移矩的效率，在不犧牲熱穩定性的前提下，進一步降低了對翻轉電流的要求。通過改進磁性隧道結的設計工藝，拓寬了翻轉電流窗口，既降低了滿足寫入錯誤率規范所需的電壓，又顯著改善了分布尾部特性。這些優化措施讓寫入錯誤率和數據保持位錯誤率均達到亞百萬分比級，有效消除了由這類失效機制導致的良率損失。

最終，全面的芯片級驗證證實，該器件在整個汽車級溫度范圍內，讀寫操作均可實現全功能運行。掃描圖分析結果顯示，器件具備優異的電壓和時序裕量，即便在最壞工況下，讀取速度仍可達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用中具備競爭力。

這款面向汽車應用的8納米128Mb嵌入式STT-MRAM的成功研發，證實了高密度工藝縮微與嚴苛的可靠性要求能夠同時實現。通過集成工藝、磁性隧道結疊層設計和磁性層優化方面的創新，該技術在滿足亞百萬分比級失效目標的同時，可在極端溫度下保持高性能。此類技術突破讓嵌入式磁隨機存取存儲器成為下一代汽車電子的主流存儲解決方案，為打造更安全、更智能、更互聯的汽車奠定了基礎。