MRAM的進展與研發方向

　     MRAM是新興的存儲器，是晶圓制造代工業競爭主軸之一。MRAM的近來發展非常迅猛。MRAM雖然是新興的存儲器，卻成為傳統意義上以邏輯線路為主的晶圓制造代工業競爭主軸之一。
　　MRAM研發的瓶頸一直都是良率和微縮。晶圓廠各自在制程上的竭力提升良率，機器設備廠商也在不斷努力，這是幾家大機器設備廠商先后投入這即將興起設備市場良性競爭的結果。MRAM相關制程主要有磁性材料的蝕刻(etcher)與濺鍍(sputter)兩種設備，最近新機型的濺鍍設備表現令人非常滿意，這將有利于晶圓廠MRAM制造良率的提升。
       微縮的進展來自于材料和制程的進步：MRAM中存儲單元MTJ (Magnetic Tunnel Junction;磁性穿隧結)中磁性材料的PMA (Perpendicular Magnetic Anisotropy;垂直磁各向異性)加大了3倍。通俗來說就是磁鐵的磁性變強了，因此就算用較小的磁鐵，其磁矩也足以抵抗熱擾動，長久保存數據，所以MTJ可以變小。
　　但是現在MRAM微縮的問題不在于MTJ，而是在于電晶體。主要原因是翻轉MTJ中磁矩的效率都有待改進-不管是以前用電流產生的磁場來翻轉磁矩，或者是目前的STT (Spin Transfer Torque;自旋移轉轉矩)。翻轉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中的數據如果想要維持10年，MTJ的直徑必須在30nm以上。現在有PMA的長進，三星預計2020年MRAM達到18nm是充分可能的。
　　MRAM如果當成單獨(stand-alone)存儲器，它只是存儲器的一種，價格相對來說比較高，只能在特定利基市場應用。如果應用在嵌入式存儲器，它可以說是必不可少的。eSRAM面積非常龐大，幸好所需的容量較少，也與邏輯線路相容，姑且可以接受。對于eFlash嵌入式快閃存儲器，現在可以說是無計可施了，自90nm以降，eFlash不太能隨制程微縮，現在它占整個芯片面積的百分比越來越高，功耗的表現也差。
　　現在新興的、高成長率的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，面積卻只能縮小一點點。這是為什么晶圓代工廠商除了努力推進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翻轉磁矩、寫入數據的方式外，學界與業界目前也正在研發SOT(Spin-Orbit Torque;自旋軌道轉矩)與VCMA(Voltage Control Magnetic Anisotropy;電壓控制磁各向異性)兩種更有效率的翻轉磁矩方式，代價是MRAM的結構可能變得復雜。這是性能持續改善的研發投資，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，則半導體業將有很長時間繼續使用STT MRAM-畢竟這是半導體業一向的哲學，將一項技術用到春蠶至死絲方盡!
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