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科技部國研院「埃世代半導體計畫」成功開發SOT-MRAM記憶體 往1奈米以下前進

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年11月10日

圖、新一代的磁性記憶體:STT-MRAM和SOT-MRAM
Source:迎接新記憶體時代的來臨記者會簡報(PDF)
 
科技部轄下之國家實驗研究院台灣半導體研究中心(國研院半導體中心),配合科技部推動「埃世代半導體計畫」,協助國內學研團隊在設備自主、關鍵材料、人才培訓及提升研發能量等多面向,守護台灣半導體科技的競爭實力。
 
2021年11月9日,清華大學、臺灣大學及工研院共同研發出新型態的「自旋軌道力矩式磁性記憶體」(SOT-MRAM),成為全世界極少數開發出具備垂直異向性SOT-MRAM元件的團隊。現正將相關技術陸續轉為平台服務,以協助國內產學研界能將優秀的研發成果進一步接軌至記憶體晶片或新一代人工智慧晶片等應用驗證。
 
磁性記憶體MRAM是未來重要的新穎儲存技術
 
數位化網路時代,為了能有效儲存與快速分析龐大的數據,晶片裡需要能快速讀寫、低耗電、斷電後不會遺失資料的記憶體元件,而「磁性記憶體」(Magnetoresistive Random Access Memory,縮寫為MRAM)這個新穎儲存技術在後摩爾定律世代,已成為全球各半導體大廠投入的重點技術。
 
MRAM運作的原理是利用電子自旋時所產生的微小磁矩,就像在晶片上形成千萬個小磁鐵,藉由這些小磁鐵的磁極方向來記憶0與1,保存資料。不運算時就不必供電,即使斷電資料也不會流失,且磁性翻轉速度可達奈秒等級,意味著MRAM具備高速操作的可能性。
 
由於MRAM兼具「快閃記憶體」(FLASH,就是現在常用的隨身碟)非揮發性以及「動態隨機存取記憶體」(DRAM)可快速操作等兩種優秀的特性,而讓磁性記憶體MRAM十分適合與邏輯元件整合在一起,形成高速、低耗電的內嵌式邏輯IC處理器,所以被公認具有十足的潛力能成為下一代通用型記憶體的主流。
 
目前MRAM已開發出「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)等不同型態的新技術,全世界的領導品牌如台積電、三星、英特爾等,都已投入相關的研發和應用,並推出代工平台,相信不久之後將陸續會有新產品問世。
 
成功研發出更快、更省電、更耐用的下世代MRAM元件
 
國研院半導體中心攜手清華大學工學院賴志煌院長、臺灣大學電機工程學系劉致為教授,以及工研院電子與光電系統研究所,共同參與科技部半導體射月計畫,並在國際設備大廠美商應用材料(Applied Materials, AMAT)贊助新型記憶體所需材料的幫助下,成功研發出新型態的SOT-MRAM,其特點是比STT-MRAM更低的寫入能量和更快的寫入時間,且元件的耐久力提升至可承受無限次的操作次數。
 
目前除了英特爾,這支由半導體中心主導的研究團隊是全世界極少數開發出具備垂直異向性SOT-MRAM元件的團隊。所謂垂直異向性,就是將元件中磁極的方向旋轉90度,就像將平放的長條磁鐵豎直以節省放置面積,因此可以縮小磁區尺寸。這項技術讓元件有機會更進一步微縮,並提升應用價值,相關成果於今年6月在世界上著名的半導體研討會議「2021 Symposia on VLSI Technology and Circuits」發表。
 
MRAM的前景雖廣受大家注目,但製造技術門檻卻相當高,需同時使用多達30幾層奈米薄膜的堆疊技術,而記憶體尺寸更只有20奈米左右,和其他記憶體通常只需5到6層薄膜堆疊,以及尺寸約為50奈米相比,製造難度大幅提高。
 
為此,國研院半導體中心近年來陸續開發完成MRAM尖端製程及量測技術的平台,其中包括超高真空金屬與金屬氧化物薄膜濺鍍技術、離子性蝕刻技術和磁性電性量測分析技術等,提供國內產學研界一個完備而先進的MRAM開發平台,協助台灣SOT-MRAM的發展,促成國內產學研團隊建立翻轉未來世代的人工智慧晶片關鍵技術。
 
註解:
1 埃即是Å ,也就是0.1奈米,10-10公尺。
2 電子自旋是一種量子性質,可以想像成當電子順時針自旋時,會產生一個向上的磁場,也就是形成一個下方為S極、上方為N極的微小磁鐵;逆時針旋轉則產生向下的磁場。電子自旋只有順時針旋轉和逆時針旋轉兩種樣態。(1250字;圖1)
 

參考資料:
建構尖端平台 迎接新記憶體時代的來臨。國家實驗研究院,2021/11/9。 


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