全球首款 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉移矩磁隨機存取(MRAM)存儲器，相關研究成果收錄于 2025 年國際電子器件會議磁隨機存取存儲器 / 阻變存儲器專題論文集

汽車技術的飛速發(fā)展，推動了市場對高可靠性、高性能半導體存儲方案的需求持續(xù)攀升。現代汽車對高級駕駛輔助系統(tǒng)功能、復雜信息娛樂平臺的依賴度日益提高，而這些系統(tǒng)均需要能在極端環(huán)境下穩(wěn)定運行的存儲器。在各類新興存儲技術中，嵌入式磁隨機存取存儲器憑借其非易失性、高耐久性以及高速讀寫的特性，成為極具潛力的優(yōu)選方案。這款專為汽車應用打造的 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉移矩磁隨機存取存儲器，其研發(fā)成功成為該領域的重要技術里程碑。

汽車存儲器設計的核心挑戰(zhàn)之一，是確保產品在 **-40℃至 150℃** 的寬溫域內可靠工作。與消費電子不同，汽車系統(tǒng)即便長期處于高溫環(huán)境，也必須保證數據的完整性和功能的穩(wěn)定性。這一嚴苛要求對存儲器架構提出了極高挑戰(zhàn)，尤其是在向 8 納米這類先進工藝節(jié)點演進的過程中。工藝節(jié)點的微縮雖能提升存儲器密度和性能，卻也加劇了各類失效風險，包括短路缺陷、讀取裕量衰減以及數據保持能力下降等問題。

此次 8 納米 128 兆位嵌入式磁隨機存取存儲器研發(fā)的一大突破，是將存儲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密度、實現與先進邏輯工藝節(jié)點高度集成的同時，也增加了制程的復雜性。存儲單元密度的提高，會導致芯片制造過程中因材料再沉積、圖形化工藝難度增加而引發(fā)短路失效的概率上升。為解決這一問題，研發(fā)團隊對集成工藝進行了優(yōu)化改進，大幅降低了制程中的缺陷數，使得短路失效中位比特數顯著減少。最終實現百萬分之一以下的短路失效率，這一成果證明，通過精細化的工藝優(yōu)化，高密度工藝微縮與車規(guī)級可靠性完全可以兼顧。

工藝微縮后的磁隨機存取存儲器，另一關鍵問題是維持足夠的讀取裕量。在先進工藝節(jié)點中，后端金屬化工藝的熱預算增加，熱遷移現象會導致磁隧道結的性能退化，尤其是隧道磁阻特性的衰減。隧道磁阻數值降低，會縮小磁隧道結平行態(tài)與反平行態(tài)之間的電阻差，使得傳感窗口變窄，進而增加讀取錯誤的風險。研發(fā)團隊通過優(yōu)化磁隧道結疊層結構，尤其是精細調控自由層的成分，讓器件的熱耐受性得到顯著提升。經熱處理后，氧化鎂勢壘層的結晶度優(yōu)化，不僅有效抑制了單元間漏電，還實現了隧道磁阻的提升，從而拓寬了讀取裕量。這些技術改進，讓器件即便在高溫環(huán)境下，讀取失效率也能控制在百萬分之一級別。

寫入性能與數據保持能力的平衡，是研發(fā)過程中另一大難點。車規(guī)級標準要求存儲器兼具低寫入錯誤率和優(yōu)異的長期數據保持能力，其中高溫環(huán)境下的數據保持時間通常要求超過 20 年。但實際設計中，若優(yōu)化器件以降低寫入切換難度，其熱穩(wěn)定性會受影響，反之亦然。為平衡這一矛盾，研發(fā)團隊對釘扎層進行了優(yōu)化，定制化設計其平行態(tài)與反平行態(tài)切換特性的不對稱性。通過精細調節(jié)磁疊層結構，工程師找到了最優(yōu)的不對稱性平衡點，在保證數據保持能力的同時，將整體比特錯誤率降至最低。此外，研發(fā)團隊還降低了切換電流的溫度依賴性，改善了低溫環(huán)境下的寫入可靠性 —— 低溫環(huán)境下原本通常需要更高的寫入電流。

除了釘扎層的優(yōu)化，研發(fā)團隊還提升了自旋轉移矩的效率，在不犧牲熱穩(wěn)定性的前提下，進一步降低了器件的切換電流需求。磁隧道結設計的改進拓寬了切換電流窗口，既降低了滿足寫入錯誤率標準所需的電壓，又大幅優(yōu)化了電流分布的尾部特性。這些改進最終讓器件的寫入錯誤率和數據保持比特錯誤率均達到百萬分之一以下的水平，有效消除了由這兩類失效機制導致的良率損失。

最后，研發(fā)團隊完成了全面的芯片級驗證，證實該存儲器在整個車規(guī)溫域內，讀寫操作均可實現全功能正常運行。通過什穆圖曲線分析驗證，器件擁有優(yōu)異的電壓和時序裕量，即便是在最惡劣的工況下，讀取速度仍可達 8 納秒。這一性能表現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極強的競爭力。

核心結論：這款面向汽車應用的 8 納米 128 兆位嵌入式自旋轉移矩磁隨機存取存儲器研發(fā)成功，證明高密度工藝微縮與嚴苛的可靠性要求能夠同時實現。研發(fā)團隊通過集成工藝創(chuàng)新、磁隧道結疊層設計優(yōu)化以及磁層結構改良，讓該器件在滿足百萬分之一以下失效率目標的同時，還能在極端溫域下保持高性能。此項技術突破奠定了嵌入式磁隨機存取存儲器在下一代汽車電子領域的主流存儲方案地位，為打造更安全、更智能、更互聯互通的汽車產品鋪平了道路。