Flash製程微縮遇瓶頸 工研院攜台積電推MRAM技術

作者 : 蔡銘仁,EE Times Taiwan

嵌入式非揮發性記憶體雖以Flash為主流,但Flash在40nm遇到製程微縮瓶頸,這也使各家半導體廠開始導入RRAM和MRAM等次世代非揮發性記憶體...

人工智慧 (AI)、5G與智慧物聯網(AIoT)等前瞻技術近年加速發展,在其中扮演關鍵核心角色,如記憶體、各類控制晶片等半導體產品和相關技術,也順應趨勢大步向前,製程微縮更替產業開闢嶄新局面。著眼記憶體在製程微縮遇瓶頸,工研院日前攜手台積電開發自旋軌道扭矩磁性記憶體 (Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory, SOT-MRAM) 陣列晶片,鎖定AI、車用等市場。

MRAM於1990年開始發展,為一種非揮發性記憶體技術,基本記憶單元稱作磁穿隧街面 (Magnetic Tunnel Junction,MTJ),結構是兩層鐵磁性薄膜夾著一層絕緣材料。據國研院於去年(2021年)9月發表的文章,SOT-MRAM為MRAM發展至今的第三代技術,讀取電流垂直通過MTJ,寫入透過電流經過底電極翻轉自由層磁矩,無需通入高電流進入穿隧絕緣體介面,大大延長其使用年限。

談及工研院本次投入開發,工研院電子與光電系統所所長張世杰表示,目前嵌入式非揮發性記憶體以快閃記憶體(Flash)為主流,但Flash在40nm遇到製程微縮瓶頸,這也使各家半導體廠開始導入電阻式記憶體(RRAM)和MRAM等次世代非揮發性記憶體,替28nm以下的製程找到嵌入式非揮性記憶體解決方案,其中SOT-MRAM,被視為可微縮至22nm以下之先進製程的重要技術。

據經濟部技術處的分享,MRAM具有高讀寫速度、低耗電等特性,也具有能微縮至22nm以下的潛力,特別適用於嵌入式記憶體的新興領域,多年前就以科技專案支持工研院開發。張世杰進一步指出,在這次在symposium on VLSI論文發表,證明MRAM其高可靠度與快速寫入等特性,不僅如此,還能操作在4k到400k (Kelvin)溫度,未來將適合應用在汽車電子、衛星通訊、量子電腦等終端應用市場。

因應MRAM需求高寫入效率、低電阻;低損傷的磁性多層膜蝕刻技術,讓陣列晶片達高良率;工研院及其夥伴,亦對材料和技術強化研發。因此,工研院本次與台積電共同發表的SOT-MRAM技術,擁有0.4奈秒高速寫入、7兆次讀寫高耐受度的特性;據悉,目前在MRAM寫入速度的部分,僅有國際幾個少數機構可達到1奈秒以下,凸顯此技術具備的前瞻性。

展望MRAM的未來規劃,張世杰認為,MRAM有媲美SRAM的寫入、讀取速度,兼具Flash的非揮發性,近年成為半導體先進製程、下世代記憶體與運算的新星。本次產品雖在寫入電流已在領先群,但若要商業化,還要開發更高寫入效率的磁性多層膜材料組成,或是新的記憶單元結構、或是新式讀寫方式,才能更優化,這也將是往後研發的方向。

另,工研院與陽明交通大學,今年也在VLSI共同發表優化的STT-MRAM多層膜與元件。工研院指出,此技術具有提高寫入速度、縮短延遲、降低寫入電流與增高使用次數等特色,在127度到零下269度範圍內,具穩定且高效能的資料存取能力,工作溫度橫跨近400度的多功能磁性記憶體更是首次被實驗驗證,未來在量子電腦、航太領域等前瞻應用潛力佳。

因應5G、大數據、AI人工智慧與物聯網科技在生活中快速發展,工研院持續在半導體前瞻研發領域,推動各式創新應用發展,並擘劃2030技術策略與藍圖,在智慧化致能技術領域攜手產業,共同推動產業升級、跨域合作與產業創新應用,以創新科技創造新商機。

 

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