《磁阻式随机存取存储器(MRAM)技术及市场-2019版》
2019-08-09 07:39:45   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

在各种新兴的NVM技术中,自旋转移矩磁阻RAM(STT-MRAM)获得了显著发展,有望成为28nm及以下节点各种集成电路(IC)产品的下一代嵌入式存储器解决方案。

MRAM Technology and Business 2019

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得益于顶级代工厂/IDM以及设备供应商的大力推动,嵌入式MRAM加速腾飞

据麦姆斯咨询介绍,如今,计算机存储产业普遍认为28 nm/22 nm硅光刻节点将成为嵌入式闪存(eFlash)的最后技术节点。这并不是因为基本的节点扩展限制,而是由于经济性障碍。因此,产业需要一种用于编码/数据存储的新型嵌入式非易失性存储器(NVM)。同时,由于先进节点处出现的单元占位降低,易失性静态随机存取存储器(SRAM)的节点扩展正在减慢。因此,非常需要一种更密集工作的嵌入式存储器。

在各种新兴的NVM技术中,自旋转移矩磁阻RAM(STT-MRAM)获得了显著发展,有望成为28 nm及以下节点各种集成电路(IC)产品的下一代嵌入式存储器解决方案。其中,包括低功耗可穿戴设备和物联网(IoT)设备、微控制器单元(MCU)、汽车、成像和显示IC、边缘人工智能(AI)加速器,以及其他专用IC(ASIC)和专用标准器件(ASSP)等。

2018年,嵌入式STT-MRAM市场仍然有限,还没有实现批量出货。2019年预计该市场将开始起飞。三星近期开始批量生产嵌入式STT-MRAM,预计其他主要的代工厂/IDM很快将参与竞争。与此同时,应用材料(Applied Materials)、东京电子(TEL)、佳能(Canon)和泛林(Lam Research)等多家设备供应商以及高通(Qualcomm)、ARM和Synopsis等逻辑厂商都在增加对MRAM的研发投入。

这进一步推动了嵌入式STT-MRAM业务的发展。得益于众多领先厂商的推动,Yole Développement分析师认为,嵌入式存储器市场规模有望在2024年达到12亿美元,2018~2024年期间的复合年增长率(CAGR)高达295%。

另一方面,独立式存储市场的增长速度就相对没有那么高涨,其复合年增长率为54%,市场规模到2024年仍将在6亿美元以下。到目前为止,增长源自16 Mb及以下低密度(STT-)MRAM器件的驱动,这些存储器主要由Everspin和Avalanche/Sony等主要厂商制造。未来几年,独立式存储市场将主要由企业存储应用驱动,包括固态驱动器(SSD)缓存和存储/网络加速器,将由256 Mb及以上高密度STT-MRAM芯片提供。后者通常出售给企业存储业务中的IDM和系统制造商。这些公司通常需要12~18个月的时间来开发新系统,因此STT-MRAM的销售增长还需要相当长的时间。值得注意的是,Everspin的1 Gb 28 nm存储近期已经在格芯(GlobalFoundries)进入试生产阶段。它们的上市,或将触发企业存储应用的进一步增长。

嵌入式存储技术趋势和MRAM市场的发展

嵌入式存储技术趋势和MRAM市场的发展

设备供应商正积极应对STT-MRAM的大批量生产挑战

STT-MRAM集各类传统存储器优势于一身。它具有SRAM的速度和eFlash的非易失性,而且基本上可以无限次地重复写入。它可以嵌入逻辑芯片的工艺流程中,而不会显著增加成本,并能提供远超SRAM的能量增益,兼具低功耗。不过,还有一系列困难的技术挑战需要解决,以充分利用STT-MRAM的潜力,实现大批量生产。幸运的是,设备供应商正在努力解决这些问题,并提供了新的解决方案以推动持续的进展。

磁隧道结(MTJ)(MRAM存储单元的基本元件)由包含20~30个不同层的多层堆叠组成,这些层的厚度必须以亚纳米精度控制。为了实现MTJ的可靠生产,需要能够对关键材料特性进行在线监控的沉积系统,例如应用材料公司最近发布的Endura®Clover™MRAM物理气相沉积(PVD)设备。此外,用于图案化MRAM单元的刻蚀工艺是制造过程中最具挑战的步骤之一。

MTJ中使用的CoFe和CoFeB层不能用常规的反应离子刻蚀(RIE)设备刻蚀,因为这种材料不易与等离子体气体形成挥发性化合物。RIE也可能会破坏堆叠层。因此,业界必须应用合适的离子束刻蚀技术,并对其进行优化以避免副产物的再沉积。例如,Lam Research和TEL已经开发了化学增强型离子束刻蚀设备。

最后但同样重要的是,测量测试也很关键,不容忽视。它们必须在器件制造过程中多次执行,以评估材料/器件对电、磁刺激的响应。很多公司正在开发用于晶圆以及已封装器件快速测试的专门解决方案。

关键(STT-)MRAM制造挑战及主要设备供应商

关键(STT-)MRAM制造挑战及主要设备供应商

Everspin是独立(STT-)MRAM市场的领导者,嵌入式MRAM竞争愈演愈烈

Everspin无疑是独立(STT-)MRAM市场的领导者。对于需要高可靠性的应用,Everspin是16 Mb及以下Toggle MRAM的唯一供应商,例如工业、交通、国防和医疗市场等,它们长期以来一直采用非易失性SRAM(NVSRAM)。Everspin也是唯一为企业存储市场提供高密度STT-MRAM的厂商。Avalanche已经开始出货1~32 Mb的独立STT-MRAM元件,这些元件由索尼采用40 nm光刻工艺制造。Avalanche正瞄准NVSRAM市场,对Everspin的Toggle MRAM发起了一定的挑战。

在嵌入式MRAM业务领域,代工厂/IDM正在加速发展。目前,三星正在基于28 nm全耗尽绝缘体上硅(FD-SOI)大规模量产。英特尔(Intel)已经在MRAM上默默耕耘数年,最近证实其采用22 nm FinFET架构的嵌入式MRAM已为量产做好准备。与此同时,台积电(TSMC)正基于22 nm平面体硅进行出样。此外,Gyrfalcon由台积电负责代工的基于MRAM的AI芯片,将于2020年中进入批量生产。

GlobalFoundries将通过嵌入式MRAM进入市场,取代基于22 nm FDSOI的eFlash,并正在为随后的12 nm FDSOI节点开发一种类SRAM的版本。看起来,英特尔正在瞄准eFlash替代。三星和台积电似乎主要专注于嵌入式MRAM,以在性能并非优先的应用中取代SRAM。

整个MRAM生态系统看起来发展良好,恩智浦(NXP)和索尼等多家公司,已准备好在其IC产品中采用嵌入式MRAM。我们预计2019年将是MRAM市场起飞的一年。

本报告总览了嵌入式和独立式MRAM技术,详细介绍了每种应用的市场发展、竞争格局、厂商动态、以及(STT-)MRAM走向大规模应用的策略和挑战。

嵌入式MRAM生态系统中的重要合作伙伴关系

嵌入式MRAM生态系统中的重要合作伙伴关系

本报告涉及的部分公司:A*STAR, Advantest, Aeroflex, Antaios, Applied Materials, Avalanche, Canon, Capres-KLA, CEA Leti, CNE, Crocus, CXMT, Cypress, Despatch, Dow, Evaderis, Evatec, Everspin, JHICC, GlobalFoundries, H-Grace, HFC Semiconductor, Hikstor, Hitachi, Honeywell, HP, Hprobe, Huawei, IBM, Imec, Infineon, Intermolecular, Inston, Intel, ITRI, Lam Research, Macronix, Maxim, Materion, Mediatek, Merk, Microchip, Micron, MicroSense Mythic, Nantero, Nanya, National Tsing Hua University, Nokia, Numen, NVE Corporation, NXP, OHT, Panasonic, Qualcomm, Quantum, Reliance, Renesas, Samsung, SanDisk, Seagate, SK Hynix, Shanghai Ciyu, SilTerra, Singulus, Smart Modular Technologies, SmartTip, SMIC, Sony, Spin Memory, Spintec, STMicroelectronics, Stanford University, Synopsis, Syntiant, TDK, TEL, TEL Magnetic Solutions, Teledyne e2v, Tezzaron, Tohoku University, Toshiba, Towerjazz, Tsinghua Unigroup , TSMC, UMC, Veeco, Western Digital, Winbond, XFab, XMC, YMTC…

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