連臺(tái)積電也搶進(jìn) 先進(jìn)MRAM晶片為什么夯？

                                  電腦記憶體如同人類大腦，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和管理各種資訊和指令，使電腦能迅速處理和運(yùn)算。隨著人工智慧（AI）、5G時(shí)代來(lái)臨，以及自駕車、精準(zhǔn)醫(yī)療診斷、衛(wèi)星影像辨識(shí)等應(yīng)用技術(shù)突飛猛進(jìn)，傳統(tǒng)記憶體技術(shù)如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體（DRAM）和快閃記憶體（NAND Flash）等已難滿足所需的穩(wěn)定且高速的運(yùn)算需求，國(guó)際半導(dǎo)體公司紛紛著手研發(fā)“磁性記憶體”（Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM），有自旋轉(zhuǎn)移力矩型（STT）、自旋軌道力矩型（SOT）及電壓控制型（VCMA-MRAM或VG-MRAM）等不同功能的記憶體，MRAM家族可說(shuō)是下一世代的理想記憶體。而SOT-MRAM更具高穩(wěn)定、高運(yùn)算與低功耗的杰出特性，是現(xiàn)階段科技發(fā)展倚重的新世代記憶體。

                                  ■高速運(yùn)算，嚴(yán)苛環(huán)境下無(wú)損性能

                                    其實(shí)，磁性記憶體并非近年才有的新技術(shù)，工研院自2002年就著手研究，經(jīng)歷20多年的深耕、精進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，近期終于有重大突破，成功解決MRAM之前難以跨越的技術(shù)難題。工研院電子與光電系統(tǒng)研究所研發(fā)組長(zhǎng)魏拯華說(shuō)明，研發(fā)團(tuán)隊(duì)自2015年起投入SOT-MRAM研發(fā)，從磁性多層膜設(shè)計(jì)到元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、再到最關(guān)鍵的圖形化蝕刻制程等，每個(gè)步驟都須克服諸多挑戰(zhàn)，終于在2018年開發(fā)出臺(tái)灣首顆SOT-MRAM元件，2021年與國(guó)內(nèi)晶圓代工領(lǐng)導(dǎo)廠商臺(tái)積電合作，成功開發(fā)前瞻性的8K陣列SOT-MRAM晶片，2022年再攜手陽(yáng)明交大研發(fā)出工作溫度橫跨近400度的新式MRAM，展現(xiàn)更加純熟的前瞻技術(shù)。

                                    工研院電子與光電系統(tǒng)研究所組長(zhǎng)許世玄分析，由于AI運(yùn)算和車用電子的崛起需要高速穩(wěn)定且低能耗的記憶體，快閃記憶體已追不上處理器速度，成為運(yùn)算瓶頸，如同人類大腦一旦失憶，日常生活便沒辦法處理，更遑論精密的運(yùn)算。而科技產(chǎn)品不斷推陳出新，對(duì)記憶體的需求日新月異，其推波助瀾的動(dòng)力是車用電子興起。因?yàn)?，車用晶片不只要能精?zhǔn)運(yùn)算，在嚴(yán)苛環(huán)境下還必須能正常工作，記憶體就成為最關(guān)鍵角色。”

                                    ■Flash做不到的讓SOT-MRAM來(lái)

                                     SOT-MRAM屬非揮發(fā)性，換言之，斷電時(shí)仍可存取資料?，F(xiàn)行的Flash快閃記憶體斷電后雖可儲(chǔ)存，但40奈米制程以下功能受限，而DRAM制程則在10幾奈米的階段。SOT-MRAM能滿足22奈米以下，甚至未來(lái)可達(dá)5奈米的制程，能解決目前技術(shù)瓶頸、符合先進(jìn)制程需求。非揮發(fā)特性不僅能使記憶體即時(shí)存取資料，閒置待機(jī)時(shí)不會(huì)消耗能量，且更節(jié)能。此外，隨著記憶體模組功能逐漸強(qiáng)大，耗能相對(duì)提高，直接影響產(chǎn)品續(xù)航力，SOT-MRAM導(dǎo)入先進(jìn)制程后，其低功耗的特性能延長(zhǎng)使用年限，更能使裝置減少電池容量、縮小尺寸，讓新科技拓展出更多可行性。

                                      SOT-MRAM具有0.4奈秒高速寫入、7兆次讀寫的高耐受度，且存取時(shí)電壓電流小、效率高，可結(jié)合電路設(shè)計(jì)完成記憶體內(nèi)運(yùn)算技術(shù)，進(jìn)一步提升運(yùn)算效能，真正滿足寫入次數(shù)無(wú)上限并縮短延遲，在AI、車用電子、高效能運(yùn)算晶片等領(lǐng)域具有極佳的前景。

                                      ■高難度制程，複制每個(gè)完美

                                        要讓SOT-MRAM完美表現(xiàn)，背后的努力可不少，技術(shù)門檻相當(dāng)高，需同時(shí)使用多達(dá)30幾層奈米薄膜堆迭技術(shù)，而記憶體尺寸更只有20奈米左右，和其他記憶體通常只需5到6層薄膜堆迭、尺寸50奈米相比，SOT-MRAM制造難度大幅提高，光是鍍膜與蝕刻技術(shù)就堪稱精湛工藝的展現(xiàn)。魏拯華形容，記憶體猶如千層派、每個(gè)鍍膜薄層都有不同功能，彼此不能相互干擾；蝕刻技術(shù)好比切蛋糕，不僅下刀需精準(zhǔn)，還不能讓別層切下的物質(zhì)污染到下一層，因此如何在所需位置精準(zhǔn)下刀、還要把不相關(guān)物質(zhì)清除乾淨(jìng)，是SOT-MRAM制造關(guān)鍵。

                                       實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)出單一顆完美元件，可能是曇花一現(xiàn)，要讓產(chǎn)線顆顆完美談何容易。工研院“先進(jìn)MRAM晶片技術(shù)與驗(yàn)證平臺(tái)”，彙整多年經(jīng)驗(yàn)，供先進(jìn)制程產(chǎn)業(yè)在大規(guī)模量產(chǎn)前驗(yàn)證、調(diào)校，生產(chǎn)出需求不同，卻能完美表現(xiàn)的SOT-MRAM元件。

                                        2022年6月起，研究團(tuán)隊(duì)更登上全球半導(dǎo)體領(lǐng)域頂尖殿堂“超大型積體技術(shù)及電路國(guó)際會(huì)議（VLSI）”發(fā)表相關(guān)論文，成為國(guó)際矚目焦點(diǎn)，更吸引美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)畫署（DARPA）、加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）合作，未來(lái)將把研發(fā)主力聚焦于次世代磁性記憶體。隨著人類科技文明日新月異，工研院走在產(chǎn)業(yè)之前，率先投入相關(guān)制程研發(fā)，幫助臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)牢牢站穩(wěn)領(lǐng)先地位，持續(xù)累積國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。