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工業技術與資訊月刊

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262期2013年8月號

2013-08-01 Published

創新之鑰 Innovation

垂直式自旋磁性記憶體技術

魏茂國

垂直式自旋磁性記憶體技術
開啟記憶體產業的未來

資訊設備與行動裝置的普及,使得記憶體的角色越加舉足輕重;而在快速、省電的要求和趨勢下,新世代的記憶體技術也成為眾所關注的發展方向。工研院「垂直式自旋磁性記憶體技術」的研發突破,不只掌握新世代技術,也為國內記憶體及資訊產業增添未來的競爭力。

當前不論是電腦、手機,或是各種儲存裝置與資訊設備,都脫離不了記憶體的使用;像是電腦中做為緩衝的動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory,DRAM),或是隨身碟與記憶卡採用的快閃記憶體(flash memory),還有可儲存大量資料的硬碟(hard disk drive,HDD)等。從設備運轉到資料儲存,這些記憶體都是不可或缺的角色,因此全球記憶體相關廠商與研發機構,也不斷投入記憶體技術的研發,以期能提升記憶體的效能。

工研院電光所副所長高明哲以人腦來比喻,最理想的記憶體除了運作速度要夠快、耗能要夠低之外,最重要的是能在沒有電流的供給下,仍能具有記憶保存資料的功能,就是儲存內容並不會因為電力中斷而消失,這也正是「非揮發性」(non-volatile)的記憶體特性。

以目前所使用的各種記憶體,從容量到速度,都有不同的特性與定位;例如HDD的儲存容量高,並且具有非揮發性,但存取速度上很慢,往往限制了整體系統的效能,即使是目前最新利用快閃記憶體技術來加速的固態硬碟(SS),如與DRAM這類揮發性的記憶體相比,其存取速度上仍然相對較慢。而在電腦中央處理器(central processing unit,CPU)中提供緩衝功能的靜態隨機存取記憶體(static random access memory,SRAM),就具有相當快的速度,但卻是屬於揮發性的記憶體。

然而,新世代的「磁性記憶體」(magnetic random access memory,MRAM)的出現,則為記憶體的使用領域,帶來更優質的選擇。

雖然在主要的記憶體類型當中,MRAM的速度並非最快,容量也不是最大,卻能兼顧這二者的優點,且為非揮發性的記憶體,因此受到產業界相當大的重視;包括三星(Samsung)、海力士(Hynix)、美光(Micron)、東芝(Tosh iba)等記憶體廠,與應用材料(AMAT)、威科儀器(Ve e c o)、優貝克科技(U LVAC)、東京威力科創(TEL)、佳能安內華(CanonAnelva)等設備商,還有比利時微電子研究中心(IMEC)、日本東北大學(Tohoku University)、IBM等研究單位,以及台積電、格羅方德(Global Foundries)、中芯國際(SMIC)等晶圓代工廠等皆競相投入研發,並認為將是取代部分cache SRAM、DRAM、或甚至是Flash等記憶體的關鍵技術。

MRAM技術廣受重視

工研院從2001年起,就開始投入MR AM 的研發工作,並於2002年組成研發團隊,至今已經超過十年。事實上自1995 年,摩托羅拉(Motorola)公司就已經開始研發MRAM,後來更將其半導體部門轉成立為飛思卡爾(Freescale)公司,並在2004 年提出量產計畫、於2006年正式銷售,容量為4Mb、讀寫速度為35ns(nanosecond,奈秒),售價為每片25美元。

不過這項階段性產品的性能表現,並不符合眾人對於MRAM的期待,同時只供應車載或飛機使用等較特別的記憶裝置市場,並沒有打進消費性電子產品市場。甚至在2012年11月,由飛思卡爾集資成立、以MRAM為主要產品的Everspin Technologies公司,又再度提出以64Mb水平式自旋記憶體為主的新量產計畫,卻還是不受市場肯定。

工研院電光所經理王泳弘指出,雖然全球記憶體產業都認為MRAM是個相當不錯、值得發展的技術,而且有很多特點是其他記憶體做不到的,但至今仍無法提出夠好的規格並量產,最主要的原因就在於MRAM具有許多物理現象上的瓶頸,而且有些物理瓶頸是互相衝突的;也就是當其中一項性能表現良好時,就會導致另一項性能的低落。因而到目前為止,還沒有一個研發團隊可以解決所有問題,也讓MRAM真正夠推廣普及的時程一再延後。

又如率先量產MRAM的飛思卡爾,因產品表現不如預期,反而讓大家對於MRAM有些失望,加上其他新記憶體技術也逐漸浮出檯面,例如電阻式記憶體(resistive random access memory,RRAM),使得當時MRAM的研發氣氛持平、甚至是往下滑的,而且有越來越多單位中止研發。

王泳弘提到,當工研院在2002年成立MRAM團隊時,就有人說三年內可以做得出來,可是三年後並沒有結果,於是就說再三年,沒想到就這樣一再「三年」直到今天:包括在2006至2009年間遇到很多製程上的問題,幾乎沒有產生較好的研發成果。

不過到了2010 年的國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting,IEDM)上,三星與海力士二家公司不約而同地提出新的MRAM研發成果,而且頗受肯定,使得MRAM的研發氣氛又被炒熱起來。

王泳弘表示,以DRAM大廠三星所考量的,就是在2015年左右DRAM將會遇到技術瓶頸,由於元件體積過小而會有很嚴重的漏電問題,使得充電次數變得更頻繁,造成運作速度變慢,需要的電力也就變得更大。

優點多、挑戰也多

因此三星亟需尋找新的技術與產品,也認為MR AM 最有機會能夠取代DRAM。王泳弘解釋,MRAM是一種磁性多層膜的堆疊結構,在早先的MRAM技術中,這二個磁性層的磁化方向為水平排列,並可由電流來控制旋轉方向;而目前MRAM則改為與膜面垂直(perpendicular)的磁化方向,也就是形成了工研院所開發的「垂直式自旋磁性記憶體技術」(p-STT MRAM)。王泳弘表示,p-STT MRAM除了具備MRAM原本的非揮發性、速度快、可無限次數讀寫等優點外,而且需要的電流低,體積也可以做得很小、密度更高,因此容量就可以做得更大。

當非揮發性的MRAM取代了DRAM與L2、L3 後,由於記憶內容不會消失,開機時就不需要由硬碟開始一層層往上傳遞資料,能夠加快電腦的開機速度(instant-on),幾乎是開機後就能立即使用。同時在待機時MRAM不需供電(normally off),因此可以更省能,這些也都是p-STT MRAM關鍵的產業價值所在。

突破外漏磁場問題

雖然p-STT MRAM擁有許多好處,但以產業研發的觀點,從材料的開發選用及改善,使磁化方向改為垂直,並且在讀取時訊號更清楚、容易判斷,到降低寫入時需要的電流等問題,在過去幾年來一一地被解決,目前更專注在元件特性的研究,持續克服技術上的挑戰。以工研院在2012年IEDM中所發表的最新研發成果,就是針對垂直磁化時先天上的物理問題,受到異性相吸、同性相斥的影響,當自由層的磁化方向經翻轉後,和參考層的磁化方向不同時,就會基於本身磁性、也就是外漏磁場的影響,而想要翻轉成同個方向。

在這樣的情形下,只要給予少許的電流,就可以輕易將自由層翻轉回來;相反地,若要由相同方向改為相反方向,就得要提供較大的電流才有辦法翻轉,這就是「翻轉不對稱」。而在嚴重的狀況下,如果磁性層本身的作用力太大,即使是將電力切斷,或是沒有任何外在磁場及電流時,仍會自動翻轉回來,就會造成記憶失效而無法使用;尤其在元件越做越小的趨勢下,這種物理情況就越為嚴重。

工研院成功解決「元件變小時容易導致記憶體失效」的技術瓶頸,成為全球第一個不需要外在磁場,就能使MRAM具有對稱翻轉特性的技術,其他如電流、寫入速度等特性,也與目前國際研發水準相當。此外,基於採用半導體製程,p-STT MRAM在階梯狀的設計下,也已克服了製程中較困難的蝕刻問題,並且不會犧牲記憶體的面積,同時還申請了二項技術專利。工研院MRAM研發團隊更提出在p-STT MRAM階梯狀結構的上方,增加二層水平方向的磁性層,利用其磁力的交互作用,讓下方的垂直磁性層更容易翻轉,並減少寫入電流的加分設計。

為產業注入未來希望

提到研發p-STT MRAM的過程,王泳弘回想,當早年的半導體技術還沒有現在這麼先進時,工研院在MRAM的研發工作上做得還不錯,因為透過既有設備,就可以製成元件來測試。但是到了2006年之後,由於半導體技術不斷翻新,加上MRAM的寫入方式也轉變為第二代的STT,元件必須做得更小,性能與效果才會更顯著,工研院在p-STT MRAM技術的創新主要是在材料及元件結構,同時也進行製程微幅創新。這項技術特點在於前端材料與元件結構創新後,廠商可以運用製程優勢,快速將p-STT MRAM的新製程開發出來,並迅速落實在生產,進行新世代的p-STTMRAM生產。

目前工研院也已和美國技術授權公司Rambus合作,簽訂先期技術評估合約,透過持續的研發與驗證,尋求將MRAM技術推廣至IC設計與製造公司的機會。像是p-STT MRAM的下一步,就希望能在降低寫入電流的同時,還能維持元件的熱穩定性;也就是寫入電流要越低越好,熱穩定性則是越高越好,是MRAM的技術挑戰之一。因為當寫入電流變小時,相對就需要使磁性層變得容易翻轉,這麼一來卻也會使磁性層變得更不穩定;甚至在自然環境的溫度中,或是因運作而使得溫度上升時,就容易擾動磁性層,使熱穩定性變差。

在電流與熱穩定性的取捨中,產品用途也會是考量的因素,例如用做取代隨身碟或記憶卡的快閃記憶體時,就不能犧牲熱穩定性,否則資料就容易不見;當然目標是盡力做到最好,並且取得各項表現的最佳平衡與可靠性。王泳弘不諱言地說,MRAM技術能夠在工研院持續發展多年,可以說是相當難得,顯然大家都認為這是相當重要的技術,也希望能藉此協助產業創造競爭優勢。

但不只是在台灣或工研院,由於長年研發投入下進展有限,使得工研院也曾多次評估是否要延續MRAM的研發計畫。工研院電光所組長顧子琨以產業觀點指出,過去台灣DRAM產業因為缺乏自有關鍵技術,加上供需失衡,使得不少廠商因虧損而退場,更不用說投資開發新世代的記憶體技術。然以目前台灣記憶體產業暫時穩定的狀況下,更需要思考2015年後的新挑戰;而工研院在國家支持下,持續投入記憶體的研發,正好能補足台灣產業在技術上的缺口,也有機會協助產業發展競爭優勢。

顧子琨表示,記憶體是關鍵零組件,尤其在巨量資訊(big data)等資訊發展趨勢下,記憶體的角色也越來越重要;雖然工研院在MRAM技術上剛有了初步成果,但還需要更多的進展,而且若是一般產業界所進行的計畫,可能早就被放棄了。

顧子琨也提到工研院MRAM研發團隊深具了「3p」精神,就是passion(熱情)、patience(耐心)與persist(堅持),因此能夠持續投入至今,也希望能夠藉此點燃台灣記憶體產業的火種,提升產業競爭力。

  
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