2017 MRAM 研發前沿報告

每年半導體產業的年終大戲就是國際電子元件暨材料會議(IEDM；International Devices & Materials Symposium)。今年IEDM的重頭戲除了當紅的人工智慧晶片之外，當屬MRAM了。IEDM是IEEE舉辦的會議，以技術為主。但是從發展的技術前沿課題中看出商業趨勢，就是內行的看門道了。

MRAM section 照例有6個報告，以前還偶有較學術性的單位參與，今年除了MRAM的研發大老Bernard Dieny及IMEC外，都已轉換成主要商業單位，包括與台積電有技術關係的TDK－Headway、IBM－Samsung MRAM Alliance、Qualcomm以及Avalanche，Avalanche是一家MRAM的技術研發及設計公司。

這6個報告題目看似發散，但是基本上反應了共同的問題與應用趨勢。共同的製程技術問題是磁性材料的蝕刻以及後段製程必須承受400度高溫。MRAM的磁性材料濺鍍由於製程設備的改良現在已經比較不是問題，目前稍難馴服的是磁性材料的蝕刻以及如何提高磁各向異性能以提高資料儲存時間(見《兵分兩路的eMRAM戰場》)。

TDK-Headway談如何量測20nm以下的磁性質；Dieny談如何以預圖案化(pre-patterned)的方法來製造高密度的MRAM，共同的關鍵字是蝕刻與20nm。由於尺寸變小，MTJ的邊界受製程影響較大，所以必須精準量測各種磁性質；而由於蝕刻不易，才改以預圖案化的方法來製造MTJ，完全避開蝕刻的問題。20nm以下的應用目前集中在eSRAM，這就是各大代工廠的未來戰場。

IBM – Samsung MRAM Alliance與IMEC談的都是後段製程必須承受400度高溫的問題。MRAM製程一般排在CMOS之後、金屬線之前，MRAM中含磁性材料，很容易在後段製程所需的高溫過程中受損。

Avalanche談的比較特殊，是3D cross-point的MRAM，這是為高密度stand-alone記憶體做準備，此發展方向先前IBM在另外的場合倡議過。如果要做成stand-alone記憶體而在成本上與3D Flash競爭，最好能用與3D Flash類似的製程。但是3D MRAM的結構複雜多了，所以用3D cross-point當成過渡。

Qualcomm談比較多的新興架構與應用：1. 聯合記憶體子系統(united memory subsystem)。用MRAM同時提供快速讀寫以及永久儲存兩種記憶體功能，可以大幅降低現行CPU在記憶體之間層層傳遞所耗費的能量與時間。另外也可以在記憶體中嵌入邏輯線路(參見《嵌入式邏輯的發展潛力》)。2. 計算導向MRAM(computing-centric MRAM)。主要是做L3 cache或PUF(Physically Unclonable Functions)，後者是資訊安全體系的硬體體現。3. 客製stand-alone MRAM。譬如兼具快速讀寫以及永久儲存兩種型態的、AI專用等MRAM。4. 衍生性元件。像是OTP、PUF、RNG等。

當IEDM議題之中談到一種元件的種種好處時，別太興奮，那個領域才剛開始，還需要時日披荊斬棘。但是當議題轉向生產製造困難的克服，這是商業化的信號。我的一位MRAM界祖師爺級的朋友寫email給我時說：MRAM is like the 7 O'clock sun, not only shinning, will heat up the market, soon. 我覺得這寫得再也貼切不過了！