产业分析－连台积电也抢进 先进MRAM晶片为什么夯？

国际半导体公司纷纷着手研发「磁性记忆体（MRAM）」。图／本报资料照片

电脑记忆体如同人类大脑，负责储存和管理各种资讯和指令，使电脑能迅速处理和运算。随着人工智慧（AI）、5G时代来临，以及自驾车、精准医疗诊断、卫星影像辨识等应用技术突飞猛进，传统记忆体技术如动态随机存取记忆体（DRAM）和快闪记忆体（NAND Flash）等已难满足所需的稳定且高速的运算需求，国际半导体公司纷纷着手研发「磁性记忆体」（Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM），有自旋转移力矩型（STT）、自旋轨道力矩型（SOT）及电压控制型（VCMA-MRAM或VG-MRAM）等不同功能的记忆体，MRAM家族可说是下一世代的理想记忆体。而SOT-MRAM更具高稳定、高运算与低功耗的杰出特性，是现阶段科技发展倚重的新世代记忆体。

■高速运算，严苛环境下无损性能

其实，磁性记忆体并非近年才有的新技术，工研院自2002年就着手研究，经历20多年的深耕、精进设计结构，近期终于有重大突破，成功解决MRAM之前难以跨越的技术难题。工研院电子与光电系统研究所研发组长魏拯华说明，研发团队自2015年起投入SOT-MRAM研发，从磁性多层膜设计到元件结构设计、再到最关键的图形化蚀刻制程等，每个步骤都须克服诸多挑战，终于在2018年开发出台湾首颗SOT-MRAM元件，2021年与国内晶圆代工领导厂商台积电合作，成功开发前瞻性的8K阵列SOT-MRAM晶片，2022年再携手阳明交大研发出工作温度横跨近400度的新式MRAM，展现更加纯熟的前瞻技术。

工研院电子与光电系统研究所组长许世玄分析，由于AI运算和车用电子的崛起需要高速稳定且低能耗的记忆体，快闪记忆体已追不上处理器速度，成为运算瓶颈，如同人类大脑一旦失忆，日常生活便没办法处理，更遑论精密的运算。而科技产品不断推陈出新，对记忆体的需求日新月异，其推波助澜的动力是车用电子兴起。因为，车用晶片不只要能精准运算，在严苛环境下还必须能正常工作，记忆体就成为最关键角色。」

■Flash做不到的让SOT-MRAM来

SOT-MRAM属非挥发性，换言之，断电时仍可存取资料。现行的Flash快闪记忆体断电后虽可储存，但40奈米制程以下功能受限，而DRAM制程则在10几奈米的阶段。SOT-MRAM能满足22奈米以下，甚至未来可达5奈米的制程，能解决目前技术瓶颈、符合先进制程需求。非挥发特性不仅能使记忆体即时存取资料，闲置待机时不会消耗能量，且更节能。此外，随着记忆体模组功能逐渐强大，耗能相对提高，直接影响产品续航力，SOT-MRAM导入先进制程后，其低功耗的特性能延长使用年限，更能使装置减少电池容量、缩小尺寸，让新科技拓展出更多可行性。

SOT-MRAM具有0.4奈秒高速写入、7兆次读写的高耐受度，且存取时电压电流小、效率高，可结合电路设计完成记忆体内运算技术，进一步提升运算效能，真正满足写入次数无上限并缩短延迟，在AI、车用电子、高效能运算晶片等领域具有极佳的前景。

■高难度制程，复制每个完美

要让SOT-MRAM完美表现，背后的努力可不少，技术门槛相当高，需同时使用多达30几层奈米薄膜堆叠技术，而记忆体尺寸更只有20奈米左右，和其他记忆体通常只需5到6层薄膜堆叠、尺寸50奈米相比，SOT-MRAM制造难度大幅提高，光是镀膜与蚀刻技术就堪称精湛工艺的展现。魏拯华形容，记忆体犹如千层派、每个镀膜薄层都有不同功能，彼此不能相互干扰；蚀刻技术好比切蛋糕，不仅下刀需精准，还不能让别层切下的物质污染到下一层，因此如何在所需位置精准下刀、还要把不相关物质清除干净，是SOT-MRAM制造关键。

实验室中生产出单一颗完美元件，可能是昙花一现，要让产线颗颗完美谈何容易。工研院「先进MRAM晶片技术与验证平台」，汇整多年经验，供先进制程产业在大规模量产前验证、调校，生产出需求不同，却能完美表现的SOT-MRAM元件。

2022年6月起，研究团队更登上全球半导体领域顶尖殿堂「超大型积体技术及电路国际会议（VLSI）」发表相关论文，成为国际瞩目焦点，更吸引美国国防高等研究计划署（DARPA）、加州大学洛杉矶分校（UCLA）合作，未来将把研发主力聚焦于次世代磁性记忆体。随着人类科技文明日新月异，工研院走在产业之前，率先投入相关制程研发，帮助台湾半导体产业牢牢站稳领先地位，持续累积国际竞争力。