更快、更穩、不失憶的新世代記憶體

07 / 01 . 2019
字級:

 DRAMSRAMPRAM, FRAM, RRAMMRAMSOT MRAM,各式各樣的記憶體,它們的名稱看起來很像,其實各有優缺點,誰會成為未來記憶體的共主?

colorful Audio waveform on virtual human background ,represent digital
equalizer technology

物聯網將實體世界的資訊數位化,小至手上的智慧手錶、路邊的汽車,大至工廠的生產設備,每分每秒都在生成數據,因此需要可快速讀寫、低耗電、斷電也不會遺失資料的記憶體。已發展十餘年的MRAM(磁阻式隨機存取記憶體),具備以上優點,非常適合物聯網以及5G時代的應用,因此產業看好MRAM是新世代記憶體的新星,包括台積電、三星、格羅方德、IBM都已投入MRAM的開發。

耗費十七年為產業奠基

MRAM有多厲害?工研院電光系統所奈米電子技術組副組長許世玄指出,MRAM的讀寫速度可達奈秒(nano second)等級,比大家所熟知的Flash(快閃記憶體),速度快上百倍、甚至千倍。除此之外,MRAM的低電壓操作特性,讓其容易與先進製程整合,非常適合使用於現在高階處理器中。種種優點,都讓各界看好MRAM有機會取代微控制器內部的嵌入式記憶體如DRAM、SRAM、Flash,成為嵌入式記憶體界的共主。為此,工研院早在2002年投入MRAM相關開發,建立磁性半導體元件研發團隊,為產業奠定基礎。

但是MRAM邁向主流之路,還有個缺點待克服。簡單來說,MRAM的結構像是三明治,兩層磁性材料中間夾上一層厚度只有0.3-0.7奈米的超薄絕緣層,然而,在元件進行讀寫的過程中,電流都會從絕緣層通過,因此每一次的讀寫都會造成絕緣層的小破壞,久而久之影響MRAM的壽命。

為了解決這個問題,工研院在經濟部技術處科技專案的支持下,2014年起投入下一世代SOT MRAM(自旋霍爾式MRAM)的研發。磁性元件研發團隊大膽的將原本採用兩端點操作的MRAM技術,改換成三端點元件結構與操作模式,也就是讓電流與電壓多一個進出的端點。這樣做有什麼好處?就是可以讓記憶體讀與寫走不同的路。寫入資料需要較大的電壓跟電流,對絕緣層的耗損比讀取資料來得大,因此工研院開發的SOT MRAM另闢蹊徑,在寫入資料時讓電流不會經過絕緣層,少了主要的耗損因素,SOT MRAM的可靠度因此大幅提高。

工研院電光系統所磁性半導體元件研發團隊經理魏拯華回憶,在研發的過程中,團隊面臨不少挑戰,舉例來說,SOT MRAM元件中有複合式金屬疊層,它的製程非常難控制,蝕刻位置與蝕刻終點控制一旦有錯,整個晶片就報銷了。為此,研發團隊在元件架構與製程上花費巧思設計,利用多段式製程方式完成核心製程製作。多段式製程可更精準控制蝕刻過程,達到所要蝕刻的位置。在此狀況下即使蝕刻過程出現誤差,也不會影響良率。該結構設計的專利,工研院已手到擒來。

歷經四年的努力,工研院已建立出SOT MRAM元件製程平台、設計平台,並以八吋標準晶圓製程做出雛形技術,換言之,廠商可在工研院專業磁性技術團隊協助下,利用此製程平台在短時間內可進行元件驗證與小型試量產,大大降低產業進入門檻,為未來台廠進入新世代記憶體鋪下康莊大道。