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全球首款 8 纳米 128 兆位嵌入式自旋转移矩磁随机存取(MRAM)存储器，相关研究成果收录于 2025 年国际电子器件会议磁随机存取存储器 / 阻变存储器专题论文集

汽车技术的飞速发展，推动了市场对高可靠性、高性能半导体存储方案的需求持续攀升。现代汽车对高级驾驶辅助系统功能、复杂信息娱乐平台的依赖度日益提高，而这些系统均需要能在极端环境下稳定运行的存储器。在各类新兴存储技术中，嵌入式磁随机存取存储器凭借其非易失性、高耐久性以及高速读写的特性，成为极具潜力的优选方案。这款专为汽车应用打造的 8 纳米 128 兆位嵌入式自旋转移矩磁随机存取存储器，其研发成功成为该领域的重要技术里程碑。

汽车存储器设计的核心挑战之一，是确保产品在 **-40℃至 150℃** 的宽温域内可靠工作。与消费电子不同，汽车系统即便长期处于高温环境，也必须保证数据的完整性和功能的稳定性。这一严苛要求对存储器架构提出了极高挑战，尤其是在向 8 纳米这类先进工艺节点演进的过程中。工艺节点的微缩虽能提升存储器密度和性能，却也加剧了各类失效风险，包括短路缺陷、读取裕量衰减以及数据保持能力下降等问题。

此次 8 纳米 128 兆位嵌入式磁随机存取存储器研发的一大突破，是将存储单元面积大幅微缩至0.017 平方微米。该工艺微缩方案在提升存储密度、实现与先进逻辑工艺节点高度集成的同时，也增加了制程的复杂性。存储单元密度的提高，会导致芯片制造过程中因材料再沉积、图形化工艺难度增加而引发短路失效的概率上升。为解决这一问题，研发团队对集成工艺进行了优化改进，大幅降低了制程中的缺陷数，使得短路失效中位比特数显著减少。最终实现百万分之一以下的短路失效率，这一成果证明，通过精细化的工艺优化，高密度工艺微缩与车规级可靠性完全可以兼顾。

工艺微缩后的磁随机存取存储器，另一关键问题是维持足够的读取裕量。在先进工艺节点中，后端金属化工艺的热预算增加，热迁移现象会导致磁隧道结的性能退化，尤其是隧道磁阻特性的衰减。隧道磁阻数值降低，会缩小磁隧道结平行态与反平行态之间的电阻差，使得传感窗口变窄，进而增加读取错误的风险。研发团队通过优化磁隧道结叠层结构，尤其是精细调控自由层的成分，让器件的热耐受性得到显著提升。经热处理后，氧化镁势垒层的结晶度优化，不仅有效抑制了单元间漏电，还实现了隧道磁阻的提升，从而拓宽了读取裕量。这些技术改进，让器件即便在高温环境下，读取失效率也能控制在百万分之一级别。

写入性能与数据保持能力的平衡，是研发过程中另一大难点。车规级标准要求存储器兼具低写入错误率和优异的长期数据保持能力，其中高温环境下的数据保持时间通常要求超过 20 年。但实际设计中，若优化器件以降低写入切换难度，其热稳定性会受影响，反之亦然。为平衡这一矛盾，研发团队对钉扎层进行了优化，定制化设计其平行态与反平行态切换特性的不对称性。通过精细调节磁叠层结构，工程师找到了最优的不对称性平衡点，在保证数据保持能力的同时，将整体比特错误率降至最低。此外，研发团队还降低了切换电流的温度依赖性，改善了低温环境下的写入可靠性 —— 低温环境下原本通常需要更高的写入电流。

除了钉扎层的优化，研发团队还提升了自旋转移矩的效率，在不牺牲热稳定性的前提下，进一步降低了器件的切换电流需求。磁隧道结设计的改进拓宽了切换电流窗口，既降低了满足写入错误率标准所需的电压，又大幅优化了电流分布的尾部特性。这些改进最终让器件的写入错误率和数据保持比特错误率均达到百万分之一以下的水平，有效消除了由这两类失效机制导致的良率损失。

最后，研发团队完成了全面的芯片级验证，证实该存储器在整个车规温域内，读写操作均可实现全功能正常运行。通过什穆图曲线分析验证，器件拥有优异的电压和时序裕量，即便是在最恶劣的工况下，读取速度仍可达 8 纳秒。这一性能表现不仅印证了器件的高可靠性，也使其在高速嵌入式应用中具备极强的竞争力。

核心结论：这款面向汽车应用的 8 纳米 128 兆位嵌入式自旋转移矩磁随机存取存储器研发成功，证明高密度工艺微缩与严苛的可靠性要求能够同时实现。研发团队通过集成工艺创新、磁隧道结叠层设计优化以及磁层结构改良，让该器件在满足百万分之一以下失效率目标的同时，还能在极端温域下保持高性能。此项技术突破奠定了嵌入式磁随机存取存储器在下一代汽车电子领域的主流存储方案地位，为打造更安全、更智能、更互联互通的汽车产品铺平了道路。

关键词： 汽车存储器 8nm 128Mb 嵌入式 MRAM