MRAM发展的震撼弹

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%，这是为什麽在28nm制程节点各代工厂要急着推出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，如果数据保留时间(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，数据保存时间越久。

以前为了增加MAE的密度，利用薄膜磁性层与氧化层界面的(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，此界面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也会跟着增长。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，那麽直接看它的商业意义：MRAM可以做到10nm以下，数据保存时间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。