MRAM的進展與研發方向

  • 林育中
MRAM是新興的記憶體,為晶圓製造代工業競爭主軸之一。(Credit: Walden Kirsch/Intel Corporation)

先講結論,MRAM的最近發展令人興奮。它雖然是新興的記憶體,卻成為傳統上以邏輯線路為主的晶圓製造代工業競爭主軸之一。

MRAM研發的挑戰一直都是良率和微縮。良率的提升除了晶圓廠各自在製程上的努力之外,機器設備廠商也出力甚多,這是幾家大機器設備廠商先後投入這即將興起設備市場良性競爭的結果。MRAM相關製程主要有磁性材料的蝕刻(etcher)與濺鍍(sputter)兩種設備,最近新機型的濺鍍設備表現令人驚艷,這將有助於晶圓廠MRAM製造良率的提升。(註)

微縮的進展來自於材料和製程的進步:MRAM中記憶單元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧結)中磁性材料的PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向異性)加大了3倍。用白話來說,磁鐵的磁性變強了,因此用較小的磁鐵,其磁矩也足以抵抗熱擾動,長久保存資料,所以MTJ可以變小。

但是目前MRAM微縮的瓶頸不在於MTJ,而是在於電晶體。主要原因是翻轉MTJ中磁矩的效率都有待改進-不管是以前用電流產生的磁場來翻轉磁矩,或者是目前的STT (Spin Transfer Torque;自旋移轉轉矩)。翻轉磁矩要有足夠大的寫入電流,電晶體就要夠大。但是由於上述PMA的改善,MTJ可以縮小,要翻轉它的磁矩所需的電流下降,電晶體可以再微縮,功耗也下降了,寫入速度變快。以前MRAM中的資料如果要維持10年,MTJ的直徑必須在30nm以上。現在有PMA的長進,三星預計2020年MRAM達到18nm是充分可能的。

MRAM如果當成單獨(stand-alone)記憶體,它只是記憶體的一種,而且價格暫時還壓不下來,只能在特定利基市場應用。如果應用在嵌入式記憶體,它幾乎是不可或缺的。eSRAM面積巨大無比,幸好所需的容量較少,也與邏輯線路相容,尚可忍受。對於eFlash嵌入式快閃記憶體,目前就幾乎束手無策了,自90nm以降,eFlash不太能隨製程微縮,現在它占整個晶片面積的百分比越來越高,功耗的表現也差。

現在新興的、高成長率的IoT晶片以及車用電子的製程都慢慢的移到40/28nm了,eFlash的問題變得很急迫。如果eFlash不能改成可微縮、低能耗的eMRAM,則在邏輯線路的製程微縮近乎白搭-用的製程比較貴,面積的改善卻只有一點點。這是為什麼晶圓代工廠商除了努力推進10nm以下的製程外,還要分出資源去照顧這一塊的理由。

除了以STT翻轉磁矩、寫入資料的方式外,學界與業界目前也正在研發SOT(Spin-Orbit Torque;自旋軌道轉矩)與VCMA(Voltage Control Magnetic Anisotropy;電壓控制磁各向異性)兩種更有效率的翻轉磁矩方式,代價是MRAM的結構可能變得複雜。這是性能持續改善的研發投資,不能不做。但是如果STT MRAM的寫入電流可以再下降些,使得寫入速度與DRAM的10ns相彷彿,則半導體業將有很長時間繼續使用STT MRAM-畢竟這是半導體業一向的哲學,將一項技術用到春蠶至死絲方盡!

註:MRAM中記憶單元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧結)由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構成,這些薄膜有些只有幾個分子厚。MTJ的特殊性質PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向異性)-產生記憶單元所需磁矩的物理特性-則是由磁性薄膜與氧化層的界面效應所決定。MTJ的元件表現深受薄膜品質所影響,所以濺鍍設備性能的提升將有助於晶圓廠MRAM製造良率的改善。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。