2017 MRAM 研发前沿报告

每年半导体产业的年终大戏就是国际电子元件暨材料会议(IEDM；International Devices & Materials Symposium)。今年IEDM的重头戏除了当红的人工智能芯片之外，当属MRAM了。IEDM是IEEE举办的会议，以技术为主。但是从发展的技术前沿课题中看出商业趋势，就是内行的看门道了。

MRAM section 照例有6个报告，以前还偶有较学术性的单位参与，今年除了MRAM的研发大老Bernard Dieny及IMEC外，都已转换成主要商业单位，包括与台积电有技术关系的TDK－Headway、IBM－Samsung MRAM Alliance、Qualcomm以及Avalanche，Avalanche是一家MRAM的技术研发及设计公司。

这6个报告题目看似发散，但是基本上反应了共同的问题与应用趋势。共同的制程技术问题是磁性材料的蚀刻以及后段制程必须承受400度高温。MRAM的磁性材料溅镀由于制程设备的改良现在已经比较不是问题，目前稍难驯服的是磁性材料的蚀刻以及如何提高磁各向异性能以提高数据储存时间(见《兵分两路的eMRAM战场》)。

TDK-Headway谈如何量测20nm以下的磁性质；Dieny谈如何以预图案化(pre-patterned)的方法来制造高密度的MRAM，共同的关键字是蚀刻与20nm。由于尺寸变小，MTJ的边界受制程影响较大，所以必须精准量测各种磁性质；而由于蚀刻不易，才改以预图案化的方法来制造MTJ，完全避开蚀刻的问题。20nm以下的应用目前集中在eSRAM，这就是各大代工厂的未来战场。

IBM – Samsung MRAM Alliance与IMEC谈的都是后段制程必须承受400度高温的问题。MRAM制程一般排在CMOS之后、金属线之前，MRAM中含磁性材料，很容易在后段制程所需的高温过程中受损。

Avalanche谈的比较特殊，是3D cross-point的MRAM，这是为高密度stand-alone存储器做准备，此发展方向先前IBM在另外的场合倡议过。如果要做成stand-alone存储器而在成本上与3D Flash竞争，最好能用与3D Flash类似的制程。但是3D MRAM的结构复杂多了，所以用3D cross-point当成过渡。

Qualcomm谈比较多的新兴架构与应用：1. 联合存储器子系统(united memory subsystem)。用MRAM同时提供快速读写以及永久储存两种存储器功能，可以大幅降低现行CPU在存储器之间层层传递所耗费的能量与时间。另外也可以在存储器中嵌入逻辑线路(参见《嵌入式逻辑的发展潜力》)。2. 计算导向MRAM(computing-centric MRAM)。主要是做L3 cache或PUF(Physically Unclonable Functions)，后者是信息安全体系的硬件体现。3. 定制stand-alone MRAM。譬如兼具快速读写以及永久储存两种型态的、AI专用等MRAM。4. 衍生性元件。像是OTP、PUF、RNG等。

当IEDM议题之中谈到一种元件的种种好处时，别太兴奋，那个领域才刚开始，还需要时日披荆斩棘。但是当议题转向生产制造困难的克服，这是商业化的信号。我的一位MRAM界祖师爷级的朋友写email给我时说：MRAM is like the 7 O'clock sun, not only shinning, will heat up the market, soon. 我觉得这写得再也贴切不过了！