MRAM

例如格羅方德先前已由晶圓級測試展示0Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集功能，突顯出sub-ppm BER、數據保留以及從1Mb收集的早期可靠性結果。但是為了保證eMRAM產品的可製造性，最重要的是驗證具有高良率的封裝水準產品的功能性與可靠性。本研究使用先進的磁性穿遂接面(MTJ)堆疊、整合和蝕刻製程，藉由在寬廣的工作溫度範圍(-40至125℃)和ECC-off模式下的封裝水準所取得的產品功能性和可靠性，證明22nm FD-SOI eMRAM的可製造性。 格羅方德的eMRAM產品能夠通過標準的可靠性測試，例如LTOL(168小時)，HTOL(500小時)，1M的耐久週期和5x回流焊接測試，故障率小於1ppm。此外40Mb eMRAM巨集能夠滿足備用和主動模式下的磁抗擾性要求。 eMRAM技術實現高良率 40Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集，其中顯示MTJ陣列的橫截面TEM(圖1)。該晶片配備內部偏壓、時序控制系統和ECC。內部電壓以tick為單位，由登入設定進行管控。MTJ堆疊、整合和蝕刻製程已進行優化，以符合蝕刻製程和HPD2後續退火製程，但仍符合晶片級的所有MTJ性能表現。 圖1　(a)40Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集，(b) MTJ陣列的橫截面TEM 藉由達成高穿隧磁阻效應(TMR)，其中Rp為並聯(P)或是狀態為0電阻，而Rap為反並聯(AP)狀態為1電阻和減少MTJ電阻分布，進一步改良MTJ堆疊和蝕刻製程，爭取20%的讀取裕量，以確保在125℃量產時能保持穩定的良率。圖2(a)和(b)分別顯示，拜先進的MTJ堆疊和蝕刻製程所賜，TMR和電阻分布的改進，達成TMR/的(Rp)~24(一般SA需求>20)，以確保在125℃的情況下能獲得高良率。 圖2　為了獲得最佳MTJ性能，隨著時間進展的製程改善趨勢：(a)適用於不同製程的TMR(2)Rp sigma。TMR和Rp sigma都獲得顯著改善，以在125℃時獲得足夠的讀取裕量。TMR/σ(Rp)∼24at125℃(SA極限∼20) 藉由提升自旋轉移矩效率，符合5x回流焊接後，再提高寫入裕量。實際的1Mb位單元MTJ電阻分布，描繪了σ(Rp)~28的較寬分隔(圖3)。良率隨時間推移出現諸多指標性的變化，最終製程實現了穩定且高良率(圖4)。而5x回流後不同MTJ和蝕刻製程的BER趨勢(圖5)。透過優化的製程，整個晶圓獲得穩定的回流性能(中位數BER<1E-7)。 圖3　實際1Mb單元陣列的Rp和Rap狀態的位單元電阻分布 圖4　40Mb eMRAM t0 BER(<6E-6)隨時間進展的良率改善趨勢 圖5　不同MTJ製程5x回流後BER改善趨勢，顯示了對於10ppm BER標準，整個晶圓達到100％之5x回流性能 不同MTJ堆疊的標準化開關電壓(Vc)與矯頑磁場(Hc)之間的關係(圖6)，所有這些堆疊都通過5x回流焊接，良率為100% (BER<1ppm)。陰影區域中的數據點顯示出最佳的寫入裕量，並且選擇了產品認證堆疊來獲得最佳的耐久裕量，同時滿足5x回流焊接的要求。 圖6　(a)左圖為針對不同堆疊拆分的歸一化MTJ Vc與Hc之對比。(b)右圖為MTTF與電壓之間的關係，顯示不同製程拆分的固有TDDB有所改善 為了進一步提高耐久裕量，須調整氧化鎂(MgO)阻障和蝕刻製程。來自位元陣列的TDDB特徵(圖6b)顯示，在工作電壓下以製程3(用於品質鑑定)，TDBB的固有改良>2。在晶圓級進行最終鑑定過程中，所測量的MTJ電氣測試(ET)參數的分布(圖7)，描述整個晶圓的常態分布。此後，出現了從大量封裝零件中收集到的40Mb eMRAM產品性能表現資料。選擇工作電壓(Vop)偏置條件來過度驅動晶片，以包含晶片到晶片和晶圓到晶圓t0...

在整合元件製造商(IDM)與晶圓代工業者陸續攻克種種技術門檻後，次世代非揮發記憶體已進入大量生產階段，並使得相關市場規模迅速成長。據研究機構Yole Developpement預估，從2019年到2025年，獨立型新興記憶體的市場規模將從5億美元成長到41億美元，複合年增率(CAGR)可達42%；嵌入式記憶體的市場規模則成長更快，可望從2,000萬美元成長到21億美元，CAGR為118%。 Yole所定義的新興非揮發記憶體包含PCM、MRAM與RRAM三種，獨立型新興非揮發記憶體將以PCM為主，MRAM則在嵌入式市場上囊括絕大多數市場。  

格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)近日宣布，其22nm FD-SOI(22FDX)平台上的嵌入式磁阻記憶體(eMRAM)已投入生產。同時格羅方德正與多家客戶共同合作，計劃於2020年實現多重下線生產。格羅方德樹立業界里程碑，證明了eMRAM的可擴展性在物聯網、通用微控制器、邊緣AI和其他低功耗應用在進階製程節點上是經濟有效的選擇。 格羅方德的eMRAM，讓設計師能夠擴展現有的物聯網和微控制器單元架構，以取得28nm以下技術節點的功耗和密度優勢，並作為大容量嵌入式NOR快閃記憶體的替代方案。 格羅方德的eMRAM是廣泛使用且堅固的嵌入式非揮發性記憶體(eNVM)，已通過五項嚴格的實際迴焊測試，在-40°C到125°C的溫度測試範圍，展現出10萬次循環耐久性和資料保存期限高達十年。FDX eMRAM解決方案通過AEC-Q100品質等級二驗證。該解決方案的開發正在進行中，期望可以在明年通過AEC-Q100品質等級一的驗證。 格羅方德汽車與工業多市場部門資深副總暨總經理Mike Hogan表示，該公司致力於透過穩定、功能多元的解決方案讓FDX平台與眾不同，進而讓客戶以高性能和低功耗之應用來開發創新產品。格羅方德的差異化eMRAM，部署在業界最先進的FDX平台上，為易於整合的eMRAM解決方案提供獨一無二的高效能RF、低功耗邏輯和整合電源管理組合。讓客戶能夠提供新一代超高性能、低功耗的MCU和已連接的IoT應用。 格羅方德與設計合作夥伴今起提供客製化設計套件，其中包含可插式套件、4到48兆位矽驗證的MRAM巨集以及可選式MRAM支援內建測試功能。 eMRAM是一項可擴充的功能，預計將在FinFET和未來的FDX平台上應用，是公司部份進階eNVM的規劃。格羅方德位於德國德勒斯登Fab1的最先進12吋晶圓生產線，將會採用MRAM來支援22FDX的量產。

物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業4.0等應用推升資訊量暴漲，使得DRAM、SRAM、NAND Flash等傳統記憶體的儲存效能逐漸遇到瓶頸，同時在高速運算方面也受到了阻礙。為克服此一挑戰，產官學各界紛紛加大新興記憶體的研發以及投資力道，相關解決方案陸續問世，期能在未來取代傳統DRAM、Flash和SRAM三大記憶體產品。 MRAM成主要發展方向 新興記憶體如雨後春筍般浮現，其中MRAM備受期待的原因，除了其具備更好的儲存效能之外，另一個原因在於MRAM的特性可以滿足製程微縮需求，因此被視為極具吸引力的記憶體方案。所以，不論是學界或是半導體產業，多以MRAM為主要的發展目標，希望能早日拓展MRAM市場普及率。 三星宣布開始量產28nm FD-SOI製程eMRAM 布局MRAM市場，三星電子(Samsung)宣布已開始量產28nm FD-SOI製程的商業化嵌入式MRAM(eMRAM)解決方案。三星指出，該公司克服了eMRAM可擴展性挑戰的技術障礙，並將製程節點發展到28nm，除了實現更低成本、更佳功率、速度之外，還能讓產品依舊保有非揮發性、隨機存取和高耐久性等特徵。 據悉，基於此一製程的eMRAM解決方案可提供更好的功率、讀寫速度和更低成本等優勢。由於eMRAM不需要在寫入數據前進行抹寫循環(Erase Cycle)，因此eMRAM的寫入速度和傳統快閃記憶體相比快了1,000倍。另外，eMRAM的使用電壓低於傳統快閃記憶體，具有低功耗特性，且在待機狀態下不會耗電，因此能提高能源效率。 三星晶圓代工行銷副總裁Ryan Lee表示，在克服新材料的複雜挑戰後，該公司開發了eMRAM技術，並將eMRAM與現有成熟的邏輯製程結合，以提供獨特的競爭優勢和量產可能，滿足客戶和市場需求。 透過與28nm FD-SOI製程結合，以實現更好的電晶體控制(Transistor Control)和降低洩漏電流，此一方案將可滿足MCU、IoT和AI等各式應用需求。另外，在宣布可量產28nm FD-SOI製程的eMRAM解決方案後，三星也計劃擴展其eMRAM解決方案，除了在2019開始生產1Gb eMRAM測試晶片之外，也預計2020年積極推廣18nm FD-SOI eMRAM。 結合MRAM　群聯讓SSD效能再攀升 另一方面，隨著企業伺服器應用近年來逐漸大量採用SSD已是主流趨勢，而如何透過整合各種新興記憶體技術來提升現行主流SSD的效能及可靠度也逐漸成為研發企業級SSD時不斷探討的議題。因此，群聯電子便嘗試將企業級SSD方案整合MRAM，以拓展高階儲存應用市場。 群聯電子技術長馬中迅(圖1)表示，5G將會對儲存產業帶來明顯的轉變，5G的特點包括頻寬高、速率快、延遲性低，因而可以傳輸、擷取大量的聯網裝置資料；因此，對於儲存產品而言(例如SSD)，也必須要呼應到5G的特點。同時，由於AI應用的興起，高速運算的需求增加，這也會對儲存產品有更高的性能和容量要求，基於5G和AI的變化，記憶體業者開始強化儲存架構，朝更快、容量更大邁進。 圖1　群聯電子技術長馬中迅指出，5G將全面改變各種應用體驗，記憶體效能也須跟著提升。 為此，群聯宣布與Everspin策略聯盟，正式整合Everspin的1Gb STT-MRAM至群聯次世代的企業級SSD儲存解決方案設計，持續引領快閃記憶體控制晶片設計方向。 馬中迅指出，MRAM是一種非揮發性記憶體技術，其特色除了具有低功耗及讀寫速度高於NAND等之外，還包括斷電時資料不會遺失。雖說目前的記憶體技術或SSD等儲存技術也有斷電資料保存方案，但這需要一些成本、時間和技術代價，但若改用MRAM，可以進一步優化無預警斷電的資料防護機制(也就是恢復時間更快)。而SSD搭配MRAM後，更能提升SSD的效能，對於群聯持續布局企業伺服器SSD高階儲存應用市場為一大助力。 據悉，整合Everspin的1Gb STT-MRAM至群聯的快閃記憶體控制晶片設計及SSD儲存方案，將能協助該公司超大型數據中心客戶及企業OEM夥伴提升整體SSD效能、降低資料延遲，以及提升服務質量(Quality of Service, QoS)。 讓儲存更穩/更好　工研院積極研究SOT-MRAM AI、5G等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長，因應如此龐大的資料儲存、傳輸需求，新興記憶體備受關注。為此，工研院也致力研發新一代MRAM技術，除了引領業者創新研發方向外，也希望能藉此加快新興記憶體發展腳步。 工研院電光系統所所長吳志毅表示，5G與AI時代來臨，摩爾定律一再向下的微縮，半導體走向異質整合，不同的技術整合性越來越強，能突破既有運算限制的下世代記憶體將在未來扮演更重要角色。MRAM速度快、可靠性好，適合需要高性能的場域，像是自駕車，雲端資料中心應用等，未來應用發展潛力可期。 據悉，在MRAM技術的開發上，工研院於IEEE國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting, IEDM)中發表自旋軌道轉矩(Spin Orbit Torque, SOT)MRAM相關的最新研究成果。 吳志毅指出，相較於台積電、三星等公司即將導入量產的第二代MRAM技術(STT-MRAM)，SOT-MRAM為全球積極研究中的最新第三代技術，以寫入電流不流經元件磁性穿隧層結構的方式運作，避免現有MRAM操作時，讀、寫電流均直接通過元件對元件造成損害的狀況，同時也具備更穩定、更快速存取資料的優勢。 吳志毅補充，更重要的是，SOT-MRAM的讀寫次數更優於STT-MRAM。假設目前STT-MRAM的讀寫次數為10的10次方左右，那麼新一代SOT-MRAM的讀寫次數則可達到10的14次方左右。換言之，SOT-MRAM不僅能夠更穩定、更快速存取資料，且讀寫次數大幅增加，因而有望滿足更多高速運算應用。 FRAM方案持續問世　材料為普及挑戰 相較於其他以MRAM為主的業者，日本記憶體大廠富士通(Fujitsu)則是致力推動FRAM，並持續推出相關解決方案。例如日前富士通便發布可在攝氏高達125度的高溫下運作的新款2Mbit...

物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業4.0等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長，所有資料都必須在邊緣蒐集，並且從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。 因應如此龐大的資料儲存、傳輸需求，在DRAM、SRAM，以及NAND Flash等傳統記憶體已逐漸無法負荷，且再加上傳統記憶體的製程微縮愈加困難的情況之下，驅使半導體產業轉向發展更高儲存效能、更低成本同時又可以朝製程微縮邁進的新興記憶體。 AI/5G新應用催動新興記憶體發展腳步 AI、5G、IoT和工業4.0等發展讓資訊量呈現爆炸式的成長，而這些資料都必須在邊緣收集，接著從邊緣到雲端進行多個層級的傳輸、處理、儲存和分析，以將大量的資量轉變為有價值的資訊。此一趨勢不僅帶來全新的運算需求，資料量的猛烈成長，對於高容量、高讀寫次數及更快讀寫速度的記憶體需求也明顯上升。因此，新興記憶體如磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)、鐵電隨機存取記憶體(FRAM)、電阻式隨機存取記憶體(RRAM)和相變隨機存取記憶體(PCRAM)等便相繼興起。 工研院電子與光電系統所所長吳志毅(圖1)表示，5G與AI時代來臨，且產生的資料量更多、更廣，因此會有更大的儲存需求；而要有更快的運算效率，意味著記憶體的讀取速度也要再加快。因此，5G、AI的出現，驅使記憶體朝更大容量、更快讀取速度發展，也因此，各大記憶體業者開始加快並投入更多資源開發新興記憶體，能突破既有運算限制的下世代記憶體將在未來扮演更重要角色，期能在日後取代目前主流的三大記憶體產品(分別為DRAM、Flash和SRAM)。 圖1　工研院電子與光電系統所所長吳志毅表示，５G、AI的到來加快新興記憶體發展腳步。 吳志毅說明，新興記憶體之所以成為目前半導體產業的重點目標，除了希望研發儲存容量更大、讀寫效率更好的記憶體滿足未來5G、AI、IoT等新應用的儲存和高速運算需求之外，還有一點是目前傳統記憶體在製程微縮上面臨困境(例如在1x奈米以下的製程微縮要花費更多時間、成本)。因此，半導體產業開始加大新興記憶體的研發和投資力道。 應用材料半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明(圖2)指出，由人工智慧和大數據所推動的新運算需求，加上摩爾定律擴展的趨緩，造成硬體開發和投資的復興。 圖2　應用材料半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明指出，新型記憶體的功耗、效能和面積成本效益更優異。 各種規模的企業正競相開發新的硬體平台、架構與設計，以提升運算效率，例如MRAM、RRAM和PCRAM等新的記憶體技術興起，便是晶片與系統設計人員都致力研究的關鍵領域。這些新型記憶體提供更多工具來增強近記憶體運算(Near Memory Compute)，也是下一階段記憶體內運算(In-Memory Compute)的建構模組。全新的記憶體技術預計可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體技術的功耗、效能和面積成本效益。 滿足製程微縮需求　MRAM普及潛力佳 新興記憶體如雨後春筍般浮現，其中MRAM最受青睞，同時也是各大廠商積極投入的原因，除了其具備更好的儲存效能外，更重要的是，現今的處理器(CPU)製程不停朝微縮化邁進，以因應高速運算需求。 然而，這些處理器內嵌的記憶體(如NAND Flash、SRAM)卻漸漸無法實現更小的晶粒尺寸，因此，儲存效能高，且也能滿足製程微縮的MRAM，便被視為極具吸引力的記憶體方案。 格芯(GlobalFoundries)尖端eNVM資深總監Martin Mason表示，嵌入式記憶體產業目前正處在一個過渡點，28nm節點可能是eFlash最後一個具有成本效益的節點，在28nm之後，eFlash要進行製程微縮十分困難，所花費的時間、成本高昂，因此，在28nm之後，記憶體業者開始尋找全新的嵌入式非揮發性記憶體技術，以適用各種創新、快速成長的低功耗應用/設備(例如物聯網) Mason進一步說明，目前有許多新的非揮發性記憶體技術，但仍有許多挑戰待克服。像是透過改變電介質電阻以儲存數據的RRAM，是許多研究和開發的主題，不過，同樣是在28nm以下的製程遭逢挑戰(28nm以下製程尚不成熟)，因而限制其大量生產和採用；至於PCRAM，同樣是缺乏28nm以下的代工支援，使得其採用也受到限制。相比之下，MRAM已有許多代工業者、記憶體業者投入發展，使其普及和採用性大增，例如該公司便將FDX與MRAM相結合，以獲取更高的功率優勢、低功耗和小尺寸。 周春明則指出，電腦產業正在建構物聯網，其中將會有數百億個裝置內建感測器、運算與通訊功能，以監控環境、作決策和傳送重要資訊到雲端資料中心；而在儲存物聯網裝置的軟體與AI演算法方面，MRAM成為儲存用記憶體的首選之一。 周春明說明，MRAM採用硬碟機中常見的精緻磁性材料，本來就是快速且非揮發性，就算在失去電力的情況下，也能保存軟體和資料。由於速度快與元件容忍度高，MRAM最終可能做為第3級快取記憶體中SRAM的替代產品。MRAM可以整合於物聯網晶片設計的後端互連層，進而實現更小的晶粒尺寸，並降低成本。 根據應用材料提供的資料指出，研究顯示，以整合式MRAM解決方案取代微控制器之中的eFlash和SRAM，便可以節省高達90%的功耗；若是採用單一電晶體MRAM取代六個電晶體SRAM，便能夠實現更高的位元密度和更小的晶片尺寸。這些功耗與面積成本優勢使得MRAM成為邊緣裝置的理想選擇。 吳志毅則表示，5G、AI的崛起，使得記憶體產業對容量更高、速度更快的儲存技術更加殷切，在覺得現有的SRAM、DRAM等記憶體不足以滿足未來應用需求時，自然會尋求更快、容量更大、更高效的新興記憶體，這是必然的趨勢，基於此，MRAM便受到各大業者關注，期能用於CPU中取代SRAM。 吳志毅指出，和現有的SRAM相比，MRAM除了讀寫速度快之外，更重要的是讀寫次數大增(預估可達上兆次)，這也是各大業者希望用MRAM取代SRAM的原因之一。未來AI、5G的應用，會產生愈來愈大量的資料，處理器讀取的資料量會明顯增加，一秒鐘可能就須讀寫1,000次、10,000次。而舊有的記憶體(例如快閃記憶體)最大壞處在於讀寫次數有限制，假設最高讀寫次數只能到10,000次，當應用在USB之中，一般的使用者可能會沒有什麼感覺，因為USB要使用到10,000次以上，會需要很長的時間。 然而，若是用於CPU等處理器中，就明顯不足了。日後各式5G、AI應用興起，處理器要讀寫的資料量只會有增無減，1秒鐘的資料讀取次數可能就高達上千、上萬次，這麼一來，舊有記憶體的資料讀寫限制明顯無法因應未來應用需求。也因此，能滿足製程微縮、儲存容量大，且讀寫次數又明顯增加的MRAM便成新選擇。 簡而言之，除了上述所提的儲存效果更好、讀寫次數高，可滿足未來新興的AI、5G應用外；更重要是，如今半導體業界持續朝微縮製程邁進的目標，但現有的記憶體在製程微縮上面臨極大挑戰，MRAM因而被視為有望取代這些記憶體的元件，因此受到記憶體、晶圓代工等業者關注，並積極投入開發，成為未來大規模發展潛力最佳的新興記憶體。 因應AI雲端運算　FRAM//RRAM各有所長 除了上述所提的MRAM因能滿足製程微縮需求，遂成為半導體產業研發重點的新興記憶體之外，其餘如FRAM、RCRAM、RRAM等新興記憶體技術也馬不停蹄的發展中。 FRAM採用鐵電質膜用作電容器來儲存資料，具有唯讀記憶體(ROM)和隨機存取器(RAM)，在高速寫入、高耐受力、低功耗和防竄改方面擁有優勢。 目前FRAM已經用於小容量和頻繁資料寫入的應用，包括OA設備，如適用於計數器和列印計錄的MFP設備，或適用於儲存參數和資料記錄的FA設備；財務終端，又或是適用於交易歷史記錄的ATM終端，基礎設施架構中的計量器、汽車導航系統和音響設備。 目前各大記憶體業者中富士通(Fujitsu)最為積極投入FRAM發展。富士通指出，該公司的FRAM採用PZT晶體結構(圖3)，這種結構通常用作典型的鐵電質材料。在點陣中具有鋯和鈦，作為兩個穩定點，它們可以根據外部電場在兩個點之間移動。一旦位置設定，即使再出現電場，它也將不會再有任何移動。頂部和底部的電極安排了一個電容器。那麼，電容器劃分了底部電極電壓和極化，超越了磁滯回線。資料以「1」或「0」的形式儲存。簡而言之，FRAM特點可分為以下三點： 圖3　富士通目前開發的FRAM為PZT晶體結構。 1.當加置磁場時就會產生極化(鋯/鈦離子在晶體中向上或向下移動)。 2.即使在不加置磁場的情況下，也能保持電極。 3.兩個穩定的狀態以「0」或「1」的形式儲存。 與傳統記憶體相比，FRAM所具有的優勢還包含：非揮發性、沒有上電也可保存所儲存的資訊、無需電池(環保產品)、更高速度寫入、可覆寫、不需要抹除指令、對於抹/寫操作無等待時間、寫入週期時間等於讀取周期時間、具有更高的耐受力、更低的功耗和不需要使用加壓電路等。 至於PCRAM和RRAM，周春明表示，隨著資料量產生呈現指數性遽增，雲端資料中心也需要針對連結伺服器和儲存系統的資料路徑，達成這些路徑在速度與耗電量方面的數量級效能提升。RRAM與PCRAM是快速、非揮發性、低功率的高密度記憶體，可以做為「儲存級記憶體」，以填補伺服器DRAM與儲存記憶體之間，不斷擴大的價格與性能落差。 據悉，RRAM採用新材料製成，材料的作用類似於保險絲，可在數十億個儲存單元內選擇性地形成燈絲，以表示資料。PCRAM則採用DVD光碟片中可找到的相變材料，並藉由將材料的狀態從非晶態變成晶態，以進行位元的編程。換言之，藉由精確控制晶圓上的組成物質，可以顯著強化功耗、效能與面積成本(PPAC)。 類似於3D NAND記憶體，RRAM和PCRAM是以3D結構排列，而記憶體製造商可以在每一代的產品中加入更多層，以穩健地降低儲存成本：而RRAM與PCRAM也提供編程與電阻率中間階段的可能性，讓每個儲存單元可以儲存多個位元的資料。簡而言之，PCRAM和ReRAM兩種技術都具有結構堆疊，包含容易受薄膜成分和劣化衰退影響的多重元素材料；兩者都是高密度記憶體應用的候選技術。 相較於DRAM，RRAM與PCRAM皆承諾未來可以大幅降低成本，而且讀取效能也比NAND和硬碟機快上許多；且PCRAM或是RRAM的儲存級記憶體更可以提供超過10倍以上的存取速度，使得這些記憶體成為雲端資料的首選，以克服AI運算相關的資料移動瓶頸。 因此，不論是PCRAM或RRAM，也有半導體業者積極投入發展，例如英特爾(Intel)致力推動的Optane記憶體，便屬於PCRAM的範疇(圖4)。 圖4　英特爾Optane新型記憶體。 總而言之，AI、5G、IoT和工業4.0等發展讓資訊量呈現爆炸式的成長，全新的運算需求驅動記憶體朝更高容量、高讀寫次數、更快讀寫速度、更低功耗發展；而新興記憶體除滿足上述需求外，和傳統記憶體相比，還可實現製程微縮化，半導體產業遂積極投入新興記憶體發展，期能在未來取代DRAM、Flash和SRAM三大主流記憶體產品。

磁性記憶體(MRAM)具有應用於非揮發性嵌入式記憶體的潛力。相較於傳統的磁場寫入方式之磁性記憶體而言，自旋傳輸磁性記憶體不論是在密度、容量、耗能、速度、尺寸微縮化以及製程成本上都有很大的優點。目前各研究團隊針對自旋傳輸磁性幾乎都已經進展為垂直式磁化材料為主，這種垂直式自旋傳輸磁性記憶體相較於傳統的水平式傳輸磁性材料，可改善水平式傳輸材料無法同時滿足降低元件寫入電流與提高元件的熱穩定性的難題。 以垂直式磁化材料取代水平式磁化材料被認為是解決上述問題最可行的方法。本篇文章將探討垂直式自旋傳輸翻轉的特性，並且介紹目前國際上以及本團隊關於垂直式自旋傳輸磁性記憶體與其他相關熱門磁性研究的發展現況。 STT MRAM發展潛力佳 磁性記憶體於1980年代首次被提出。1984年Honeywell以異向性磁阻(AMR)技術為基礎開發了最早期的MRAM，由於其抗輻射特性以及製作成本高昂，主要應用於軍方以及航太用途。1988年發現巨磁阻(GMR)現象後，開始吸引了許多人投入MRAM相關的研究。 而到了1995年，實驗證實穿隧式磁阻(TMR)的現象，而其後的研究證實其磁阻變化率可高達220%以上，至此確定了MRAM的發展趨勢。MRAM基本架構為1個電晶體搭配上一個稱為MTJ(Magnetic Tunnel Junction)的磁性多層膜元件，簡稱為1T-1MTJ架構。 傳統的MRAM寫入方式為利用兩條正交的導線所產生的磁場將被選取之MTJ結構磁性自由層(Free Layer)磁化向量翻轉，使得磁性自由層與被固定層(Pinned Layer)的磁化向量呈現平行(低阻態)或反平行(高阻態)而達到寫0或1。 這種寫入方式會遭遇到兩個主要的技術瓶頸，第一是只有單軸導線通過而非雙導線交叉選擇的MTJ，容易因為導線磁場干擾而造成錯誤寫入；第二是當MTJ尺寸隨著技術節點持續微縮時，磁性自由層磁化向量翻轉所需要的磁場大小或寫入導線電流會急劇升高。這樣不僅耗電，而且會使得寫入電流超過導線可容忍之範圍而產生失效。 新一代的MRAM寫入方式為利用自旋力矩傳輸(Spin-torque-transfer, STT)效應翻轉磁性自由層的磁化向量。這種寫入方式電流僅通過被選擇的記憶單元，所以不會有因導線磁場干擾，而造成寫入錯誤的問題。同時，由於磁性自由層翻轉取決於電流密度，因此隨著記憶單元持續微縮，翻轉所需要的電流不僅不會升高，反而會下降。 除此之外，STT MRAM在製程上也比傳統MRAM簡化許多，如此不僅可以減少製程費用，也可大幅提升記憶體密度。傳統MRAM的Cell Size大約在20~30F2，而STT MRAM可將Cell Size降至6F2。另外，STT翻轉寫入速度可達4ns，因此STT MRAM不論是在密度、容量、耗能、速度、尺寸微縮化以及製程成本上都有很大的優點，使得STT MRAM具有應用於非揮發性嵌入式記憶體的潛力。 追求更高儲存密度　SOT成新解方 目前STT MRAM的產品主要都是以水平式磁化材料作為MTJ結構之磁性層，例如Co、Fe、CoFe、NiFe，以及CoFeB等磁性材料。不過，這種水平式STT MRAM所遇到最大的挑戰，即為降低MTJ磁性元件寫入電流密度的同時，還需要提高元件對於熱擾動的穩定度，並且提高寫入與讀取資料的準確度。 預估在進入45奈米技術節點後水平式STT MRAM將面臨寫入電流與熱穩定性無法同時兼顧的問題，除非在磁性材料的特性上有所突破；而以垂直式磁化材料取代水平式磁化材料之STT元件被認為是解決上述問題最可行的方法。 磁性材料除了應用在磁性記憶體上，在感測器領域亦有相當的發揮空間。利用微小外在磁場即可使磁感測器靈敏做出判別的特性，做為生物感測器的主要元件再適合不過。而除了感測微小的外加場變化，磁性感測器當然也能改以較硬磁如CoFeB、CoFe等做為主要材料，涉足大場感應市場。由於可針對使用領域變化感測場的範圍及靈敏性，磁感測元件勢必大有可為。 而在已然形成的磁性記憶體市場中，下個目標除了繼續增加磁性記憶體的儲存密度，更希望改善耗電情況以及提升記憶體讀寫壽命，旋軌道轉矩型(Spin-orbit-torque RAM, SOT-RAM)這樣的磁性記憶體結構，利用自旋電子流來影響記憶層的磁矩排列，較之STT MRAM有著更節能的優勢，目前世界上各個研發團隊紛紛投入SOT的開發中，是現今磁性記憶體中炙手可熱的新星。 克服磁矩以達到小尺寸/高密度 磁紀錄依磁化狀態的不同可分為水平記錄和垂直記錄，水平記錄之記錄媒體的磁化方向是平行基板的表面，而垂直記錄之記錄媒體的磁化方向則是垂直基板的表面。水平記錄由於Pattern承受的去磁場大，因此不利於達成高的記錄密度；垂直記錄則因為磁化方向垂直於磁頭移動方向及記憶媒體表面，去磁場小，因而可以得到較高的記錄密度。 利用上下電極間的磁性多層膜，不同磁性膜層間交互作用影響之下，通過電流時因磁矩排列方式的不同而得到的磁阻值變化。為了能夠達到小尺寸高密度記憶元件的發展，垂直式磁矩排列的記憶元件將會是一個大有可為的發展方向。若要能讓垂直式磁性記憶元件發展順利，首要克服的便是其磁矩的排列方式，如何能在記錄膜層鍍製時，便讓其有整齊並且可完美控制的磁矩排列。 水平記錄膜層堆疊主要如圖1所示，底電極之上為提供各膜層良好織構(Texture)的種子層材料，接下來是固定未進行讀寫時磁矩排列方向的反鐵磁層(Anti-ferro)，反鐵磁層與SAF被固定層決定了交換場的大小，當交換場越大就表示該膜層結構能承受的外界場影響越大，當記憶元件在進行讀寫之時表現也會越穩定。 圖1　水平記錄膜層堆疊示意圖 若變化不同的MTJ結構如下類型(圖2)，膜層排列的方式不再因為反鐵磁層來決定，而是利用磁性層Co以及金屬層Pt交互堆疊，利用兩種材料間的交互作用力，在Co極薄的情況下可以讓磁矩完全垂直膜面排列，這就是垂直式磁性元件所設計的被固定層。 圖2　變化不同的MTJ結構示意圖 並且，利用Ru金屬層的RKKY特性，使得Ru上下的Co/Pt多層膜雖然是垂直膜面排列，但依著不同的Ru在RKKY Peak的厚度，一樣可以依需求製備出不同大小的交換場，當然，交換場越大也就表示元件對於外在環境影響下的穩定度越高。 在這樣的膜層結構下，利用MgO做為Tunneling材料，調變MgO的厚度以及製程參數，可以得到MR 40~90%；變化Free Layer的材料為CoFeB、CoFeB/Ta/CoFeB Composited結構等，可使讀寫層的翻轉更迅速，Hc能大於200Oe。不同的上下電極材料(Ta、TaN、Ru等)，所影響的P-STT MTJ之PMA特性也不同，利用Modified...

物聯網(IoT)、AI、雲端運算、工業4.0等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長，所有資料都必須在邊緣收集，並從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。因應如此龐大的資料儲存、傳輸需求，在DRAM、SRAM、快閃記憶體等存在已久的記憶體技術愈顯吃力的情況下，新興記憶體技術MRAM趁勢而起，而為加快MRAM量產普及速度，應用材料推出全新物理氣相沉積(PVD)平台。 應用材料公司半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明表示，由AI和大數據所推動的新運算需求，加上摩爾定律擴展的趨緩，造成硬體開發和投資的復興。各種規模的企業正競相開發新的硬體平台、架構與設計，以提升運算效率，新興記憶體技術也隨之興起(MRAM、ReRAM和PCRAM等)，這些新型記憶體提供更多工具來增強近記憶體運算(Near Memory Compute)，同時也是下一階段記憶體內運算(In-Memory Compute)的建構模組。 MRAM採用硬碟機中常見的精緻磁性材料，具備快速且非揮發性的特性，就算在失去電力的情況下，也能保存軟體和資料。由於速度快與元件容忍度高，MRAM最終可能做為第3級快取記憶體中SRAM的替代產品；且MRAM可以整合於物聯網晶片設計的後端互連層，進而實現更小的晶粒尺寸，並降低成本。 新興記憶體技術隨著越來越多資料量而誕生。 不過，新興記憶體技術的出現也意味著為量產製程帶來獨特挑戰，須在設備技術上有所突破才能實現全面生產。周春明指出，MRAM是一種非常複雜的薄膜多層堆疊，由10多種不同材料和超過30層以上的薄膜與堆疊組成。部分薄膜層的厚度僅達數埃，相近於一顆原子的大小；要如何控制這些薄膜層的厚度、沉積均勻性、介面品質等參數是關鍵所在，因為在原子層任何極小的缺陷都會影響裝置效能。總結來說，矽上沉積和整合新興材料的能力將影響新型記憶體裝置的效能和可靠性，要如何推疊這麼多層數的薄膜並維持高效能，是MRAM量產的最大挑戰。 也因此，應材推出全新Endura Clover MRAM物理氣相沉積平台，該設備是由 9 個獨特的晶圓處理反應室組成，可在超高真空環境下執行多流程步驟，實現整個MRAM單元製造，包括材料沉積、介面清潔和熱處理。其核心是Clover PVD反應室，可在原子層級精度下沉積多達五種材料。至於影響效能關鍵的穿隧阻障氧化鎂，是透過應材獨特的Clover PVD氧化鎂技術沉積而成，以實現低功耗、高耐久性的MRAM效能。 周春明說明，Clover PVD氧化鎂沉積技術是目前市場上唯一可以透過陶瓷濺鍍來沉積氧化鎂的解決方案；和另一種替代技術，即先沉積鎂，然後再氧化形成氧化鎂(需要兩步驟製程)相比，Clover PVD 系統已經通過驗證，可提供改良的讀取訊號耐久性100倍以上。 應材研發全新Clover PVD平台，加快MRAM量產速度及降低量產成本。  

產業研究機構Yole Développement(Yole)表示，新興非揮發性記憶體NVM，包括MRAM、RRAM和PCM等，隨著物聯網、5G、人工智慧(AI)、雲端運算等發展越受注目。認為，DRAM的發展將在未來五年繼續，但速度將放緩。由於3D半導體技術不斷進步，NAND密度不斷增加。新興的NVM不會取代NAND和DRAM，但會以各種記憶體加速的方式出現。此外，SCM(Storage Class Memory)將成為主要的新興NVM市場，並將在未來5年內由3D XPoint主導。 新興記憶體技術未來兩年將進入起飛期，從應用角度來觀察，Yole認為，包括MCU嵌入式NVM、工業/交通/消費性電子、企業SCM、客戶SCM等應用，2017年市場規模約9900萬美元，2018年市場規模約為2.8億美元，2019年將成長至10.8億美元，2017~2019年複合成長率(CAGR)高達230%。 從技術角度來看，MRAM將發展嵌入式MCU應用，因為所有大型代工廠都參與了此領域。獨立的RRAM將嘗試在SCM應用上獲得PCM的市場占有率。由於SCM應用，未來三年新興的NVM銷售量將成長一個數量級以上。 另外，MRAM和RRAM市場領域的晶圓代工廠參與度增加，GlobalFoundries、台積電、聯華電子、中芯國際和三星代工服務等皆積極投入，以提供有吸引力的服務。這一趨勢表明了代工廠對儲存業務的興趣日益成長。例如，也有產業消息傳出台積電宣布可能收購一家記憶體公司。 在獨立業務中，新興的NVM不會取代DRAM和NAND，而是將在記憶體模組中與它們結合使用，例如，SSD、DIMM和NVDIMM。在2023年，由於3D XPoint作為企業和客戶端SCM的日益普及，PCM將在獨立內存市場保持領先地位。值得注意的是，三星和東芝通過開發基於3D NAND的SCM解決方案採取了不同的戰略路線，如Z-NAND(三星)和XL-Flash(東芝，2018年8月展示)。但是，這些技術將用於企業級SSD，並且不會與相容DDR4的Optane DIMM競爭，預計這將占整體3D XPoint銷售額的50%以上。