全世界極少數成功，國研院團隊研發新型態 MRAM 記憶體

隨著現代生活應用到晶片的地方越來越多，目前全世界半導體晶片都嚴重供不應求，體積更小、容量更大且效能更高的新型記憶體亟待問世。由國研院半導體中心主導的研究團隊，現在成功開發出全世界極少研究的垂直磁異向性「自旋軌道力矩式磁性記憶體」，靠著全新設計結構、平坦化製程等優勢登上舞台。

以前只用在電腦和智慧手機等 3C 產品，現在從智慧家電、智慧汽車、智慧城市到太空、國防領域，都應用大量晶片來隨時記錄各種數據。為了滿足龐大運算需求，並追求更小體積、更大容量、更高效能，科學家正致力於研發新一代嵌入式記憶體。

國研院半導體研究中心製程整合組組長李愷信形容，記憶體就像直接呈放資料的「桌面」，可以省去反覆開關抽屜拿資料的時間，是影響資料處理能力與執行速度的關鍵。

目前市面上大量使用的記憶體可按照「停止供電後是否還能保留資料」分成兩大類：揮發性記憶體與非揮發性記憶體，前者如應用於電腦中的 DRAM（如果有自組電腦應該都知道 DDR3、DDR4）、SRAM，優點是速度快，缺點為耗電、斷電後資料流失；後者如隨身碟、HDD、光碟片，優點是斷電後資料不會流失，缺點為速度慢。

為了尋找兼顧揮發性記憶體與非揮發性記憶體優點的新興記憶體，電性電子元件相關研究進展已經超過 60 年，其中磁性記憶體（MRAM）在最近 5 年終於可開始應用於產品上，由於具有能耗低、讀寫速度快、面積小、非揮發性等優點，有望成為嵌入式或獨立式皆通用的記憶體。

▲ 國研院主導的研究團隊開發出新型態 MRAM 元件。（Source：科技新報）

和 DRAM（面積 2,048 nm2）、SRAM（面積 21,000 nm2）相比，MRAM 面積僅 400 nm2，但讀寫速度媲美 SRAM，目前 MRAM 已有「自旋轉移力矩式磁性記憶體」（STT-MRAM）和「自旋軌道力矩式磁性記憶體」（SOT-MRAM）等型態，而由國研院領導組成的團隊以及特殊讀取方式，成功研發出全世界極少鑽研的垂直異向性 SOT-MRAM 元件，特點為具有比 STT-MRAM 更低的寫入能量和更快的寫入時間，且無須外加磁場。

其運作原理為改變電子自旋時產生的微小磁矩方向來記憶 0 與 1 以保存資料，不運算時就不必供電，即使斷開電源也不會流失資料，且磁性翻轉速度可達奈秒級。

不過與其他記憶體結構僅堆疊 5～6 層薄膜相比，垂直異向性 SOT-MRAM 記憶體堆疊了 30 幾層超薄原子級薄膜，使用鐵、鈷、鎳、鉑、銣等 20 多種元素，製造技術門檻相當高，國研院半導體中心正在逐步建置包含濺鍍系統、蝕刻系統、曝光系統等完整製程設備，希望未來能支援各界進行 MRAM 測試與開發。

該團隊研究成果已於今年 6 月在世界著名的半導體研討會議「2021 Symposia on VLSI Technology and Circuits」上發表。

（首圖來源：國研院提供）