創新突破／先進MRAM晶片技術與驗證平台

【撰文／賴宛靖】

AI運算和車用電子崛起後，快閃記憶體出現運算瓶頸，市場亟需高速、穩定、低能耗的記憶體。工研院自2002年研發磁性記憶體（MRAM），經20年努力終於突破技術難題，並建立先進MRAM晶片技術與驗證平台，展現精湛技術，榮獲工研院傑出研究獎金牌獎。

電腦記憶體如同人類大腦，負責儲存和管理各種資訊和指令，使電腦能迅速處理和運算。隨著AI人工智慧、5G時代來臨，以及自駕車、精準醫療診斷、衛星影像辨識等應用技術突飛猛進，傳統記憶體技術如動態隨機存取記憶體（Dynamic Random-Access Memory；DRAM）和快閃記憶體（NAND Flash）等已難滿足所需的穩定且高速的運算需求，國際半導體公司紛紛著手研發「磁性記憶體」（Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM），有自旋轉移力矩型（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家族可說是下一世代的理想記憶體。而SOT-MRAM更具高穩定、高運算與低功耗的傑出特性，是現階段科技發展倚重的新世代記憶體。

高速運算　嚴苛環境下無損性能

「磁性記憶體並非近年才有的新技術，工研院自2002年就已著手研究，經歷20多年的深耕、精進設計結構，近期終於有重大突破，成功解決MRAM之前難以跨越的技術難題。」工研院電子與光電系統研究所研發組長魏拯華說明。研發團隊自2015年起投入SOT-MRAM研發，從磁性多層膜設計到元件結構設計、再到最關鍵的圖形化蝕刻製程等，每個步驟都須克服諸多挑戰，終於在2018年開發出臺灣首顆SOT-MRAM元件，2021年與國內晶圓代工領導廠商合作成功開發前瞻性的8K陣列SOT-MRAM晶片，2022年再攜手陽明交大研發出工作溫度橫跨近400度的新式MRAM，展現更加純熟的前瞻技術。

工研院電子與光電系統研究所組長許世玄分析，由於AI運算和車用電子的崛起需要高速穩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，更遑論精密的運算。而科技產品不斷推陳出新，對記憶體的需求日新月異，其推波助瀾的主因是車用電子興起。「車用晶片不只要能精準運算，在嚴苛環境下還必須能正常工作，記憶體就成為最關鍵角色。」

Flash做不到的 讓SOT-MRAM來

SOT-MRAM屬非揮發性，換言之，斷電時仍可存取資料。現行的Flash快閃記憶體斷電後雖可儲存，但40奈米製程以下功能受限，而DRAM製程則在10幾奈米的階段。SOT-MRAM能滿足22奈米以下，甚至未來可達5奈米的製程，能解決目前技術瓶頸、符合先進製程需求。非揮發特性不僅能使記憶體即時存取資料，閒置待機時不會消耗能量，且更節能。此外，隨著記憶體模組功能逐漸強大，耗能相對提高，直接影響產品續航力，SOT-MRAM導入先進製程後，其低功耗的特性能延長使用年限，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，且存取時電壓電流小、效率高，可結合電路設計完成記憶體內運算技術，進一步提升運算效能，真正滿足寫入次數無上限並縮短延遲，在AI人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域具有極佳的前景。

高難度製程　複製每個完美

要讓SOT-MRAM完美表現，背後的努力可不少，技術門檻相當高，需同時使用多達30幾層奈米薄膜堆疊技術，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層薄膜堆疊、尺寸50奈米相比，SOT-MRAM製造難度大幅提高，光是鍍膜與蝕刻技術就堪稱精湛工藝的展現。魏拯華形容，記憶體猶如千層派、每個鍍膜薄層都有不同功能，彼此不能相互干擾；蝕刻技術好比切蛋糕，不僅下刀需精準，還不能讓別層切下的物質汙染到下一層，因此如何在所需位置精準下刀、還要把不相關物質清除乾淨，是SOT-MRAM製造關鍵。

實驗室中生產出單一顆完美元件，可能是曇花一現，要讓產線顆顆完美談何容易。工研院「先進MRAM晶片技術與驗證平台」，彙整多年經驗，供先進製程產業在大規模量產前驗證、調校，生產出需求不同，卻能完美表現的SOT-MRAM元件。

2022年6月起，研究團隊更登上全球半導體領域頂尖殿堂「超大型積體技術及電路國際會議（VLSI）」發表相關論文，成為國際矚目焦點，更吸引美國國防高等研究計畫署（DARPA）、加州大學洛杉磯分校（UCLA）合作，未來將把研發主力聚焦於次世代磁性記憶體。隨著人類科技文明日新月異，工研院走在產業之前，率先投入相關製程研發，幫助臺灣半導體產業牢牢站穩領先地位，持續累積國際競爭力。