MRAM發展的震撼彈

年初在《Nature communication》上日本東北大學大野英男(Hideo Ohno)教授的團隊發表一篇關於MRAM磁各向異性能(MAE；Magnetic Anisotropy Energy)的論文，對整個半導體業丟了一個震憾彈。大野英男是MRAM領域的前驅人物，現在仍然活躍在研究的最前沿。已進入量產工藝的垂直自旋轉矩移轉磁性隨機存取記憶體(pSTT MRAM)就是由他們團隊最先展示的。

半導體CMOS製程的發展看來推進到近乎物理極限3、5nm甚或往前再走一兩步應該沒有問題。但是一個CPU、MCU、ASIC中不僅只有CMOS，各型態的嵌入式記憶體也是重要組成，但是eSRAM、eDRAM、eFlash在製程演進中遭遇到的挑戰比CMOS還大。

先是eFlash，從90nm到65nm的遷移每一位元的尺寸幾乎沒有微縮，一個40/28nm微控制晶片中的eFlash面積可能已占總晶片面積超過30%，這是為什麼在28nm製程節點各代工廠要急著推出eMRAM的原因。

eSRAM也不遑多讓，目前1個eSRAM的面積大概有4、50個電電晶體大小，製程再演化下去情況會更糟。

eDRAM的狀況好些，一個eDRAM位元的面積大概只有eSRAM的1/3，但DRAM本身製程演進已近乎停滯於1xnm，未來CMOS再微縮，eDRAM很難跟的上腳步。這就是代工產業目前面臨的挑戰。

eMRAM的出現多少緩和了這情勢，28nm eMRAM成功替代了eFlash。MRAM還有個好處，如果資料保留時間(retention time)不是重要考量，則MRAM可以設計成可以快速翻轉狀態0、1的模式，速度可以加快，所以在3、5nm製程現在也開始研發以eMRAM替代eDRAM的方案。

MRAM靠其中兩個鐵磁層的磁矩方向(一個固定，一個可以翻轉)並排與否來定義0與1。其中一個重要的參數是MAE，指的是可以翻轉的那個磁矩兩個方向狀態系統的能量差，這個值越大，翻轉磁矩－就是改變記憶狀態－所需的能量越大，狀態越不易因週遭環境的熱擾動而改變，資料保存時間越久。

以前為了增加MAE的密度，利用薄膜磁性層與氧化層介面的(interfacial)MAE，讓磁矩垂直於薄膜表面，pSST MRAM名字中的p就是perpendicular的意思。但是若要用於非揮發性的應用，此介面MAE只能支持微縮到20nm，CMOS製程繼續微縮，但eMRAM製程卻無法亦步亦趨。

大野教授的創新－或者是走回老路－是用形狀(shape)MAE。形狀MAE的道理很簡單，磁性物質的磁矩一般是平行物質最長的方向，看磁鐵的磁性就知道了。如果將磁性薄膜的厚度增高，垂直MAE也會跟著增長。用這樣形狀做的MRAM，可以做到10nm以下，操作電壓維持在0.5V。

如果上面操作原理的說明你沒感覺，那麼直接看它的商業意義：MRAM可以做到10nm以下，資料保存時間10年以上，工作電壓0.5V，則10nm以下的eDRAM和eFlash已經有用eMRAM替代的解決方案，代工邏輯製程可以順當的推進至物理極限。至於eSRAM，目前還沒有好的解決方案，但是MRAM理論上的翻轉速度可以更快的。

對於記憶體，MRAM若可以演進至10nm以下，對於DRAM和3D Flash都有影響。現在DRAM的製程停滯於1xnm，MRAM可以持續微縮，將來成本上要較個真章。Flash在20nm後，3D製程才見成本優勢。MRAM在10nm以下也許成本還不能與3D Flash競爭，因為它的CMOS比較大。但是它的速度快、功耗低，至少有一部份的利基市場有可能移轉，就像當年固態硬碟之於機械式硬碟。所以記憶體市場也無法自外於這個技術變動。