DIGITIMES：MRAM的進(jìn)展與研發(fā)方向

　　MRAM是新興的存儲(chǔ)器，為晶圓制造代工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)主軸之一。先講結(jié)論，MRAM的最近發(fā)展令人興奮。它雖然是新興的存儲(chǔ)器，卻成為傳統(tǒng)上以邏輯線路為主的晶圓制造代工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)主軸之一。

　　MRAM研發(fā)的挑戰(zhàn)一直都是良率和微縮。良率的提升除了晶圓廠各自在制程上的努力之外，機(jī)器設(shè)備廠商也出力甚多，這是幾家大機(jī)器設(shè)備廠商先后投入這即將興起設(shè)備市場(chǎng)良性競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。MRAM相關(guān)制程主要有磁性材料的蝕刻(etcher)與濺鍍(sputter)兩種設(shè)備，最近新機(jī)型的濺鍍?cè)O(shè)備表現(xiàn)令人驚艷，這將有助于晶圓廠MRAM制造良率的提升。

　　微縮的進(jìn)展來(lái)自于材料和制程的進(jìn)步：MRAM中存儲(chǔ)單元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧結(jié))中磁性材料的PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向異性)加大了3倍。簡(jiǎn)單說(shuō)，磁鐵的磁性變強(qiáng)了，因此用較小的磁鐵，其磁矩也足以抵抗熱擾動(dòng)，長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，所以MTJ可以變小。(注)

　　但是目前MRAM微縮的瓶頸不在于MTJ，而是在于電晶體。主要原因是翻轉(zhuǎn)MTJ中磁矩的效率都有待改進(jìn)-不管是以前用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)磁矩，或者是目前的STT (Spin Transfer Torque;自旋移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)。翻轉(zhuǎn)磁矩要有足夠大的寫入電流，電晶體就要夠大。但是由于上述PMA的改善，MTJ可以縮小，要翻轉(zhuǎn)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中的數(shù)據(jù)如果要維持10年，MTJ的直徑必須在30nm以上?，F(xiàn)在有PMA的長(zhǎng)進(jìn)，三星預(yù)計(jì)2020年MRAM達(dá)到18nm是充分可能的。

　　MRAM如果當(dāng)成單獨(dú)(stand-alone)存儲(chǔ)器，它只是存儲(chǔ)器的一種，而且價(jià)格暫時(shí)還壓不下來(lái)，只能在特定利基市場(chǎng)應(yīng)用。如果應(yīng)用在嵌入式存儲(chǔ)器，它幾乎是不可或缺的。eSRAM面積巨大無(wú)比，幸好所需的容量較少，也與邏輯線路相容，尚可忍受。對(duì)于eFlash嵌入式快閃存儲(chǔ)器，目前就幾乎束手無(wú)策了，自90nm以降，eFlash不太能隨制程微縮，現(xiàn)在它占整個(gè)芯片面積的百分比越來(lái)越高，功耗的表現(xiàn)也差。

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

　　除了以STT翻轉(zhuǎn)磁矩、寫入數(shù)據(jù)的方式外，學(xué)界與業(yè)界目前也正在研發(fā)SOT(Spin-Orbit Torque;自旋軌道轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁矩方式，代價(jià)是MRAM的結(jié)構(gòu)可能變得復(fù)雜。這是性能持續(xù)改善的研發(fā)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相仿佛，則半導(dǎo)體業(yè)將有很長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)使用STT MRAM-畢竟這是半導(dǎo)體業(yè)一向的哲學(xué)，將一項(xiàng)技術(shù)用到春蠶至死絲方盡!

　　注：MRAM中存儲(chǔ)單元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧結(jié))由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構(gòu)成，這些薄膜有些只有幾個(gè)分子厚。MTJ的特殊性質(zhì)PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向異性)-產(chǎn)生存儲(chǔ)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(yīng)所決定。MTJ的元件表現(xiàn)深受薄膜品質(zhì)所影響，所以濺鍍?cè)O(shè)備性能的提升將有助于晶圓廠MRAM制造良率的改善。