Embedded MRAM: Samsung bringt 1-GBit-Chips auf 28-nm-FD-SOI-Basis

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Der weltgrößte Chiphersteller setzt auf MRAM: Die magnetoresistive Speichertechnologie soll die Unzulänglichkeiten bisheriger Flash-Speicher überwinden. Auch die gute Integrierbarkeit in bestehende CMOS-Prozesse spricht laut Samsung für die Technik.

Embedded Magnetic Random Access Memory, kurz eMRAM, hat nach Ansicht des weltweit größten Halbleiterherstellers das Potenzial, die bislang dominierende Flash-Technologie für nichtflüchtigen Speicher abzulösen.

Sein erstes kommerzielles MRAM-Produkt, einen Chip mit 1 GBit Speicherkapazität, stellt Samsung in seinen eigenen Fabs in der 28-Nanometer(nm)-FD-SOI-Prozesstechnologie, genannt 28FDS, her. FD-SOI steht dabei für „Fully Depleted Silicon On Insulator“ – ein Verfahren, das eine sehr hohe Energieeffizienz der auf dem Siliziumchip integrierten Schaltung ermöglicht. Das zeigen die neusten Controller von STMicro und Renesas. Die Massenproduktion der Samsung-Speicherchips ist gerade angelaufen.

Konkurrenz für MRAM-Platzhirsch Everspin

Samsung ist allerdings nicht das erste und auch nicht das einzige Unternehmen, das die „Embedded Non-Volatile Memory“-(eNVM-)Technologie MRAM im großen Stil anbietet: So hat Everspin, nach eigenen Angaben „der weltweit führende Entwickler und Hersteller von magnetoresistivem RAM“, bereits 2017 Muster seines 40-nm-STT-MRAM mit 1 GBit an seine Partner verteilt. Im Dezember 2018 folgte die Auslieferung von 1GBit-MRAM-Mustern mit 28 nm Strukturgröße. Hauptprodukt des Unternehmens ist das 256 Mbit große STT-MRAM, das Auftragsfertiger Globalfoundries im 40-nm-Low-Power-Verfahren auf 300-mm-Wafern produziert.

STT-MRAM steht für „Spin Torque Transfer Magnetoresistive Random Access Memory“. Es beschreibt eine nicht flüchtige, auf Elektromagnetismus und Elektronenspin basierende Speichertechnologie. Die Everspin-Chips kommen beispielsweise in den aktuellen NvNitro-Solid-State-Discs (SSD) zum Einsatz. Auch IBM setzt SST-RAM von Everspin in seinen SSDs der FlashCore-Modul-(FCM-)Familie ein.

MRAM soll Einschränkungen von Flash überwinden

Die bislang am häufigsten verwendete Lösung für Embedded-Speicher, nichtflüchtiges Flash, haben mit einigen Einschränkungen zu kämpfen. Eine davon ist die begrenzte Skalierbarkeit aufgrund ihrer Ladungsträger-basierten Funktion: Die einzelnen Speicherzellen lassen sich nicht beliebig verkleinern, denn mit der Zahl der enthaltenen Ladungsträger nimmt auch die Langzeitstabilität des Speicherarrays ab.

Eingebettetes MRAM ist nach Ansicht von Samsung ein würdiger Nachfolger für eFlash: Hier basiert die Funktion auf dem elektrischen Widerstand einer Zelle. Daher ließe sich nichtflüchtiges MRAM viel besser skalieren. Darüber hinaus sei ein direkter Zugriff auf die Speicherinformation möglich, und auch die Langzeitstabilität sei sehr gut.

Langlebiger und schneller als Flash

Auch setzen viele Schreibzugriffe MRAM weniger stark zu als beispielsweise NAND-Flash. Damit soll sich die Magnetoresistive-Speichertechnologie in Punkto Langlebigkeit, Leistung und Zuverlässigkeit gut für persistente Schreibpuffer-Anwendungen eignen.

Typisch für MRAM: Da eMRAM vor dem Schreiben von Daten keinen Löschzyklus benötigt, ist seine Schreibgeschwindigkeit etwa tausend Mal höher als bei Embedded Flash. Außerdem verwendet eMRAM niedrigere Spannungen als eFlash und verbraucht bei Nichtaktivität keine elektrische Energie. Die Energieeffizienz ist entsprechend besser. Laut Samsung ist die eigene eMRAM-Lösung auch noch günstiger.

eMRAM erfordert nur wenige Belichtungsmasken

Laut Samsung lässt sich eMRAM mit nur wenigen Belichtungsmasken in das Backend des Fertigungsprozesses einfügen – also in die unteren Schichten des Siliziumsubstrats. Dadurch ist es quasi unabhängig vom Frontend und ermöglicht eine einfache Integration mit anderen, bewährten Logik-Technologien auf Basis von Bulk-, Fin- oder eben FD-SOI-Transistoren.

„Wir haben neue Materialien verwendet und die damit verbunden schwierige Herausforderungen gemeistert“, freut sich Ryan Lee, Vice President of Foundry Marketing bei Samsung Electronics. Samsung bietet eMRAM als Plug-In-Modulkonzept an. Kunden sollen es zusätzlich zu ihren bestehenden Designs einsetzen können, so dass die Integration von eMRAM mit verhältnismäßig geringem Aufwand ermögliche.

Samsung plant, sein Angebot an hochdichten eNVM-Lösungen zu erweitern, einschließlich eines Tape-Out von 1-GBit-eMRAM-Testchips noch in diesem Jahr.

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