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MRAM发展的震撼弹

  • 林育中
日本东北大学大野英男教授的最新研究突破,将可使MRAM演进至10nm以下,不啻于半导体业投下一个震憾弹。(图片来源:Pixabay)

年初在《Nature communication》上日本东北大学大野英男(Hideo Ohno)教授的团队发表一篇关于MRAM磁各向异性能(MAE;Magnetic Anisotropy Energy)的论文,对整个半导体业丢了一个震憾弹。大野英男是MRAM领域的前驱人物,现在仍然活跃在研究的最前沿。已进入量产工艺的垂直自旋转矩移转磁性随机存取存储器(pSTT MRAM)就是由他们团队最先展示的。

半导体CMOS制程的发展看来推进到近乎物理极限3、5nm甚或往前再走一两步应该没有问题。但是一个CPU、MCU、ASIC中不仅只有CMOS,各型态的嵌入式存储器也是重要组成,但是eSRAM、eDRAM、eFlash在制程演进中遭遇到的挑战比CMOS还大。

先是eFlash,从90nm到65nm的迁移每一位元的尺寸几乎没有微缩,一个40/28nm微控制芯片中的eFlash面积可能已占总芯片面积超过30%,这是为什么在28nm制程节点各代工厂要急著推出eMRAM的原因。

eSRAM也不遑多让,目前1个eSRAM的面积大概有4、50个电晶体管大小,制程再演化下去情况会更糟。

eDRAM的状况好些,一个eDRAM位元的面积大概只有eSRAM的1/3,但DRAM本身制程演进已近乎停滞于1xnm,未来CMOS再微缩,eDRAM很难跟的上脚步。这就是代工产业目前面临的挑战。

eMRAM的出现多少缓和了这情势,28nm eMRAM成功替代了eFlash。MRAM还有个好处,如果资料保留时间(retention time)不是重要考量,则MRAM可以设计成可以快速翻转状态0、1的模式,速度可以加快,所以在3、5nm制程现在也开始研发以eMRAM替代eDRAM的方案。

MRAM靠其中两个铁磁层的磁矩方向(一个固定,一个可以翻转)并排与否来定义0与1。其中一个重要的参数是MAE,指的是可以翻转的那个磁矩两个方向状态系统的能量差,这个值越大,翻转磁矩-就是改变记忆状态-所需的能量越大,状态越不易因周遭环境的热扰动而改变,资料保存时间越久。

以前为了增加MAE的密度,利用薄膜磁性层与氧化层接口的(interfacial)MAE,让磁矩垂直于薄膜表面,pSST MRAM名字中的p就是perpendicular的意思。但是若要用于非挥发性的应用,此接口MAE只能支持微缩到20nm,CMOS制程继续微缩,但eMRAM制程却无法亦步亦趋。

大野教授的创新-或者是走回老路-是用形状(shape)MAE。形状MAE的道理很简单,磁性物质的磁矩一般是平行物质最长的方向,看磁铁的磁性就知道了。如果将磁性薄膜的厚度增高,垂直MAE也会跟著增长。用这样形状做的MRAM,可以做到10nm以下,操作电压维持在0.5V。

如果上面操作原理的说明你没感觉,那么直接看它的商业意义:MRAM可以做到10nm以下,资料保存时间10年以上,工作电压0.5V,则10nm以下的eDRAM和eFlash已经有用eMRAM替代的解决方案,代工逻辑制程可以顺当的推进至物理极限。至于eSRAM,目前还没有好的解决方案,但是MRAM理论上的翻转速度可以更快的。

对于存储器,MRAM若可以演进至10nm以下,对于DRAM和3D Flash都有影响。现在DRAM的制程停滞于1xnm,MRAM可以持续微缩,将来成本上要较个真章。Flash在20nm后,3D制程才见成本优势。MRAM在10nm以下也许成本还不能与3D Flash竞争,因为它的CMOS比较大。但是它的速度快、功耗低,至少有一部份的利基市场有可能移转,就像当年固态硬盘之于机械式硬盘。所以存储器市场也无法自外于这个技术变动。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。