MRAM, Großer Durchbruch von TSMC

In den letzten Jahren hat die Technologie der nichtflüchtigen Speicher (NVM) einen raschen Entwicklungsschub erfahren. Mit dem Aufkommen neuer Anwendungen wie Künstlicher Intelligenz, autonomem Fahren und Internet der Dinge steht das traditionelle Speichersystem vor komplexen Herausforderungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Energieverbrauch und Stabilität.

Um die Ziele von "Schnelligkeit", "Energieeffizienz" und "Stabilität" zu vereinbaren, sind verschiedene neue Speichertypen (wie ReRAM, PCM, FeRAM, MRAM usw.) in die Phase der Forschung, Entwicklung und Validierung eingetreten, um sich in der "Post-DRAM-Ära" hervorzuheben. Vor diesem Hintergrund wird der Magnetwiderstands-Zufallszugriffsspeicher (MRAM) aufgrund seiner Eigenschaften von hoher Geschwindigkeit, geringem Stromverbrauch und Nichtflüchtigkeit als eines der vielversprechendsten universellen Speicherlösungen angesehen.

Berichten zufolge hat ein internationales Forschungsunternehmen, bestehend aus Mitgliedern der National Yang Ming Chiao Tung University aus Taiwan, TSMC und des Industrial Technology Research Institute, einen bedeutenden Durchbruch in der MRAM-Technologie erzielt. Sie haben erfolgreich einen Spin-Orbit-Torque-Magnetwiderstands-Zufallszugriffsspeicher (SOT-MRAM) auf Basis von β-Phasen-Wolfram entwickelt, der beeindruckende Leistungsparameter aufweist: Die Datenschaltung kann in nur 1 Nanosekunde abgeschlossen werden, die Datenaufbewahrungszeit beträgt über 10 Jahre und das Tunnel-Magnetowiderstands-Verhältnis (TMR) erreicht bis zu 146 %. Dieses Ergebnis, das in der Fachzeitschrift "Nature Electronics" veröffentlicht wurde, ebnet den Weg für die industrielle Anwendung der nächsten Generation von Hochgeschwindigkeits- und Niedrigstromverbrauch-Speichertechnologien.

Der Bedarf an Veränderungen in der Speichertechnologie

Aktuelle Computersysteme basieren auf einer Speicherhierarchie, die aus SRAM, DRAM und Flash-Speichern besteht. Mit dem technologischen Durchbruch der 10-Nanometer-Grenze stehen diese traditionellen ladungsbasierten Speichertechnologien jedoch vor ernsthaften Herausforderungen: eingeschränkte Skalierbarkeit, Schwierigkeiten bei der Leistungssteigerung, verstärkte Lese-/Schreibstörungen und verringerte Zuverlässigkeit. Vor allem in der heutigen Zeit des raschen Wachstums von Künstlicher Intelligenz und Edge Computing werden an Speicher höhere Anforderungen gestellt - sie müssen sowohl die schnelle Reaktionsfähigkeit von DRAM als auch die Nichtflüchtigkeit von Flash-Speichern aufweisen und gleichzeitig den Stromverbrauch erheblich reduzieren.

Vor diesem Hintergrund sind neue nichtflüchtige Speichertechnologien entstanden. Neben SOT-MRAM gehören dazu auch Spin-Transfer-Torque-Magnetwiderstands-Zufallszugriffsspeicher (STT-MRAM), Phasenänderungsspeicher (PCM), Widerstands-Zufallszugriffsspeicher (RRAM) und Ferroelektrischer Zufallszugriffsspeicher (FeRAM). Diese Technologien zeichnen sich alle durch Nichtflüchtigkeit, geringe Latenz und geringen Stromverbrauch aus und können mit der bestehenden CMOS-Halbleitertechnologie integriert werden, was die Entwicklung neuer Computerarchitekturen ermöglicht.

Im Vergleich dazu beträgt die Latenz von DRAM etwa 14 Millisekunden, die Lese-Latenz von 3D TLC NAND liegt zwischen 50 und 100 Mikrosekunden, während die Schaltgeschwindigkeit des neuen SOT-MRAM im Nanosekundenbereich liegt, was fast mit der von SRAM vergleichbar ist. Gleichzeitig behält es den Vorteil der Nichtflüchtigkeit - das bedeutet, dass die Daten auch bei Stromausfall nicht verloren gehen.

Die einzigartigen Vorteile von SOT-MRAM

Der SOT-MRAM zieht Aufmerksamkeit auf sich, weil er über ein einzigartiges Funktionsprinzip und technologische Vorteile verfügt. Er nutzt Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung, um Spin-Orbit-Torque (SOT) zu erzeugen, um die Magnetisierung eines Nanomagneten in einer magnetischen Tunnelstruktur umzukehren und so das Schreiben und Löschen von Daten zu ermöglichen.

Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hat der SOT-MRAM drei Kernvorteile:

• Schnelles Schreiben: Durch den Spin-Orbit-Torque-Effekt kann die Magnetisierungsumkehr im Nanosekundenbereich erfolgen, was viel schneller ist als bei der herkömmlichen Magnetfeldansteuerung.
• Hochgradige Energieeffizienz: Das Design mit drei Anschlüssen trennt die Schreib- und Lesestrompfade vollständig, was das Haltbarkeitsproblem und die magnetische Tunnelwiderstands-Beschränkung von STT-MRAM effektiv löst und den Stromverbrauch erheblich reduziert.
• Hohe Zuverlässigkeit: Da die Lese- und Schreibvorgänge voneinander unabhängig sind, wird die Haltbarkeit des Bauelements erheblich verbessert. Es kann mehr Lese- und Schreibzyklen aushalten und hat auch eine ausgezeichnete Langzeitdatenaufbewahrungsfähigkeit.

Aufgrund dieser Vorteile hat der SOT-MRAM das Potenzial, den SRAM auf Cache-Ebene zu ersetzen und als Kernspeicherkomponente in der nächsten Generation von Computersystemen zu dienen.

Die Lösung von Schlüsseltechnikproblemen

Obwohl der SOT-MRAM theoretisch deutliche Vorteile hat, muss ein Schlüsseltechnikengpass gelöst werden, bevor er industriell angewendet werden kann: das Problem der thermischen Stabilität von Spin-Bahn-Kopplungsmaterialien.

Wolfram ist aufgrund seiner starken Spin-Bahn-Kopplungseigenschaften ein idealer Kandidat für SOT-MRAM. Insbesondere das in der A15-Struktur (β-Phase) stabile Wolfram kann einen Spin-Hall-Winkel von -0,4 bis -0,6 erreichen und hat eine ausgezeichnete Spin-Orbit-Torque-Effizienz. Allerdings ist β-Phasen-Wolfram ein metastabiler Zustand. Unter den üblichen Wärmebehandlungsbedingungen in der Halbleiterfertigung (normalerweise mehrere Stunden bei 400 °C) wandelt es sich in das thermodynamisch stabile α-Phasen-Wolfram um. Diese Phasenumwandlung ist fatal - der Spin-Hall-Winkel von α-Phasen-Wolfram beträgt nur etwa -0,01, und die Spin-Orbit-Torque-Umkehrungseffizienz wird stark reduziert, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Bauteileigenschaften führt.

Die bahnbrechende Lösung des Forschungsteams besteht darin, eine ultradünne Kobaltlage in die Wolframschicht einzufügen, um eine Kompositstruktur zu bilden. Genauer gesagt haben sie die 6,6 Nanometer dicke Wolframschicht in vier Abschnitte geteilt und zwischen jedem Abschnitt eine nur 0,14 Nanometer dicke Kobaltlage eingefügt - diese Dicke ist kleiner als die Einatomlage von Kobalt, sodass das Kobalt diskontinuierlich verteilt ist. Diese raffinierte Gestaltung hat zwei Wirkungen: Die Kobaltlage fungiert als Diffusionsbarriere und hemmt die Atommodifikation in der Wolframschicht; die Mischungseffekte zwischen Kobalt und Wolfram verbrauchen den Wärmehaushalt und verzögern so die Phasenumwandlung.

Die experimentellen Ergebnisse sind ermutigend: Diese Komposit-Wolframstruktur kann ihre Phasenstabilität bei 400 °C für bis zu 10 Stunden aufrechterhalten und kann sogar einer Temperatur von 700 °C für 30 Minuten standhalten, während die herkömmliche einlagige Wolframschicht bereits nach 10 Minuten Tempern bei 400 °C eine Phasenumwandlung erfährt. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Nanobeugungstests am Taiwan Photon Source haben die Forscher die Stabilität von β-Phasen-Wolfram bestätigt.

Was noch wichtiger ist, löst diese Kompositstruktur nicht nur das Problem der thermischen Stabilität, sondern behält auch eine ausgezeichnete Spin-Umwandlungseffizienz. Mittels Spin-Torque-Ferromagnetischer Resonanz und Harmonischer Hall-Widerstandsmessungen haben das Team eine Spin-Hall-Leitfähigkeit von etwa 4500 Ω⁻¹·cm⁻¹ und eine Dämpfungs-Torque-Effizienz von etwa 0,61 für die Komposit-Wolframfolie gemessen. Diese Parameter gewährleisten eine effiziente Magnetisierungsumkehrung.

Umfassende Leistungsprüfung

Der theoretische Durchbruch kann erst wirklich umgesetzt werden, wenn er durch Bauteiltests validiert wird. Das Forschungsunternehmen hat auf Basis des Komposit-Wolframfolienansatzes erfolgreich ein 64-Kilobit-SOT-MRAM-Prototyp-Array hergestellt und unter nahezu realen Anwendungsbedingungen umfassende Leistungstests und Validierungen durchgeführt.

In Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit hat das Bauteil eine Spin-Orbit-Torque-Umkehrgeschwindigkeit im Nanosekundenbereich erreicht, was fast mit der von SRAM vergleichbar ist und weit über der von DRAM und Flash-Speichern liegt. Statistische Tests an 8000 Bauteilen zeigen, dass das Umkehrverhalten hochgradig konsistent ist. Die intrinsische Umkehrstromdichte unter langen Pulsen (10 Nanosekunden) beträgt nur 34,1 Megaampere pro Quadratzentimeter, was eine ausgezeichnete Stabilität und Reproduzierbarkeit zeigt.

Die Datenaufbewahrungsfähigkeit ist ebenfalls hervorragend. Laut Schätzungen anhand der kumulativen Verteilungsfunktion (CDF) beträgt der thermische Stabilitätsparameter Δ des Bauteils etwa 116, was bedeutet, dass die Datenaufbewahrungszeit über 10 Jahre beträgt und die strengen Anforderungen an nichtflüchtige Speicher vollständig erfüllt.

Im Tunnel-Magnetowiderstands-Verhältnis (TMR)-Test hat das Bauteil einen TMR-Wert von bis zu 146 % erreicht, was zeigt, dass eine hochwertige Grenzfläche zwischen MgO und Co₄₀Fe₄₀B₂₀ gebildet wurde, was eine stabile Lesespannung und ein zuverlässiges Prozessfenster gewährleistet.

Beim Stromverbrauchskontrollsystem trennt das Design mit drei Anschlüssen die Lese- und Schreibvorgänge vollständig und reduziert somit grundlegend den Stromverbrauch, was es besonders für stromempfindliche Anwendungen wie Edge Computing und mobile Endgeräte geeignet macht.

Darüber hinaus hat die Beteiligung des TSMC-Forschungsteams dazu beigetragen, dass das gesamte Design von Anfang an auf die bestehende Halbleiter-Hinterend-Technologie optimiert wurde, was eine ausgezeichnete Prozesskompatibilität gewährleistet und den Weg für die zukünftige Massenproduktion ebnet.

Es ist erwähnenswert, dass das Forschungsunternehmen auch eine X-förmige Umkehrung ohne externes Magnetfeld erreicht hat. Dieses Ergebnis ist auf den Symmetriebrucheffekt im Komposit-Wolframmaterial zurückzuführen, der nicht nur die Bauteilstruktur vereinfacht, sondern auch die Integration und die Gestaltungsflexibilität verbessert und so neue Wege für die technische Anwendung von SOT-MRAM eröffnet.

Der Beginn einer neuen Ära in der Speichertechnologie

Die Bedeutung dieser Forschung geht weit über den technologischen Durchbruch im Labor hinaus. Sie weist der gesamten Speicherindustrie einen neuen Weg. Im Gegensatz zu vielen neuen Speichertechnologien, die sich noch in der Konzeptvalidierungsphase befinden, wurde der SOT-MRAM auf Basis von Komposit-Wolfram von Anfang an unter Berücksichtigung der Prozesskompatibilität und Herstellbarkeit entwickelt. Das Forschungsunternehmen hat bereits erfolgreich ein 64-Kilobit-Array hergestellt und plant, es auf die Megabit (Mb)-Ebene zu erweitern und gleichzeitig den Schreibstromverbrauch auf weniger als einen Pikojoule pro Bit zu reduzieren.

In Anwendungen von Künstlicher Intelligenz und Edge Computing zeigt der SOT-MRAM ebenfalls einzigartige Vorteile. Der häufige Datenzugriff bei der AI-Training und -Inferenz ist die Hauptquelle des Stromverbrauchs. Mit seinen Eigenschaften von Hochgeschwindigkeit, Nichtflüchtigkeit und geringem Stromverbrauch kann der SOT-MRAM als On-Chip-Cache für AI-Beschleuniger dienen und so den Stromverbrauch des Systems erheblich reduzieren. In Edge-Geräten bedeutet seine Nichtflüchtigkeit, dass das Gerät schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, ohne dass Daten verloren gehen, was besonders für batteriebetriebene IoT-Endgeräte vorteilhaft ist.

Zusätzlich kann der SOT-MRAM möglicherweise die Umstrukturierung der Speicherhierarchie vorantreiben. Die traditionelle dreistufige Architektur von "SRAM-Cache - DRAM-Hauptspeicher - Flash-Speicher" könnte verändert werden. Der SOT-MRAM hat das Potenzial, die Leistungslücke zwischen SRAM und DRAM zu schließen und sogar in einigen Anwendungen eines von beiden zu ersetzen, wodurch die Architektur vereinfacht und die Systemeffizienz verbessert wird.

Auf der Ebene der Materialwissenschaft bietet die in der Forschung vorgeschlagene Strategie der "Stabilisierung metastabiler Phasen durch Kompositlagen" nicht nur für Wolfram, sondern auch für die Phasenstabilitätsforschung anderer funktioneller Materialien neue Ideen. Das Team plant, neue Oxide und zweidimensionale Grenzflächenmaterialien zu erforschen, um die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Weiterhin könnte dieser Durchbruch möglicherweise die Innovation in der Computerarchitektur vorantreiben. Der SOT-MRAM mit Hochgeschwindigkeit und geringem Stromverbrauch macht die "In-Memory-Computing"-Architektur möglich und bietet einen neuen Weg, um die "Speicherwand"-Einschränkung der traditionellen von-Neumann-Architektur zu überwinden.

Fazit

Die Bedeutung dieser Forschung geht weit über den technologischen Durchbruch im Labor hinaus. Sie hat einen neuen Weg für die Entwicklung der gesamten Speicherindustrie geebnet. Im Gegensatz zu vielen neuen Speichertechnologien, die sich noch in der Konzeptvalidierungsphase befinden, wurde der SOT-MRAM auf Basis von Komposit-Wolfram von Anfang an unter Berücksichtigung der Prozesskompatibilität und Herstellbarkeit entwickelt. Das Forschungsunternehmen hat bereits erfolgreich ein 64-Kilobit-Array hergestellt und plant, es auf die Megabit (Mb)-Ebene zu erweitern und gleichzeitig den Schreibstromverbrauch auf weniger als einen Pikojoule pro Bit zu reduzieren