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嵌入式MRAM和獨立式MRAM要分流了!

  • 林育中

MRAM的嵌入式和獨立式記憶體會開始分流,而未來MRAM有沒有機會替代DRAM,也可拭目以待。Pixabay

幾乎所有的新興記憶體出道時都宣稱與CMOS製程相容,意思是可以做邏輯製程的嵌入式記憶體。這意味著開發一種記憶體技術可以一魚兩吃,適用於嵌入式和獨立式記憶體。但是從歷史的發展來看,這樣的一廂情願最後很難堅持,像eDRAM幾乎很少用過,eFlash最終停留在65nm,很難與邏輯製程一起微縮,而且此時的嵌入式記憶體製程與獨立式記憶體製程早已大相逕庭了!

MRAM在嵌入式記憶體先馳得點,在28/22 nm中成為eFlash的替代,在7/5 nm世代也成為L3 cache的替代。能當成替代,自然在讀寫速度、功耗、單元面積等有綜合優勢。

但是早期發展MRAM技術的單元面積一般為50f2,雖然MRAM的優點之一是可以持續微縮,但這與之DRAM的6f2、甚至cross point的4f2仍然相去甚遠,要當成獨立記憶體,首先在價格上就吃了虧,僅可在特殊利基市場攻城掠地。

MRAM的單元面積在嵌入式製程大概是50f2。單元面積微縮的瓶頸在於底層控制開關的CMOS,而不在上頭的儲存元件MTJ(Magnetic Tunnel Junction)。實驗數據顯示,TMR(Tunnel Magnetoresistance Ratio;穿隧磁阻比例,MTJ在狀態1與0時的磁阻差額對於狀態0磁阻值的比例—簡單的說,兩個狀態有多大的差別)值對於MTJ直徑微縮不敏感。TMR值不能太小,否則讀取儲存數據時就會產生失誤。所以MTJ是可以持續微縮的。

有困難的是底下控制電流的CMOS。CMOS要提供足夠的電流、而這電流在通過鐵磁層或被反射後形成極化的自旋流,進而翻轉另一鐵磁層(自由層)的磁矩,這就是STT(Spin Torque Transfer)的機制。

但是所有的記憶體—甚至包括量子位元—都有穩定性和可操控的兩難:穩定的不好操控,容易操控的不穩定,兩個極端譬如NAND Flash與DRAM。MRAM要當永久記憶體,鐵磁層中的磁矩便要經得起熱擾動,儲存要穩固。穩固的狀態就要用較大的力氣來切換狀態,底下的CMOS就要提供足夠的電流來切換,因此CMOS的尺寸小不下來。

要降低CMOS的單元面積,釜底抽薪的方法是用SOT(Spin-Obit Torque)來翻轉磁矩,基本上它是用材料中晶格上原子軌域對鐵磁層磁矩產生轉矩,因為晶格的原子比STT中的電子重多了,轉矩的力道也大。在相同的電流下,它產生的轉矩比STT大至少一個數量級。這可以解決目前面臨的單元面積、寫入速度、功耗等問題。

但是也有快速的解決方法,師DRAM之故智。DRAM的CMOS與邏輯製程的CMOS有很大的差異;DRAM的要求是尺寸比較緊緻、低漏電流,而邏輯CMOS則要求速度快,所以二者的結構不太相同。在SDRAM、DDR DRAM時代DRAM就開始用recessed gate來滿足上述要求,而附帶的特性為驅動電流比相同面積平面型CMOS的驅動電流大。用此一製程於MRAM,Hynix與Toshiba於2016 IEDM發表了4Gb MRAM,其單元面積只有9f2,已經非常接近過去DRAM的6f2了,而且現在MRAM寫入速度也開始超車了。

看來MRAM的嵌入式和獨立式記憶體會開始分流,代工廠搞代工廠的、記憶體搞記憶體的,至少在前段製程是如此。一個接下來的問題是未來MRAM有沒有機會替代DRAM?這個問題於今年4月在台灣舉辦的VLSI-TSA就可見分曉,敬請拭目以待。請看今日之域中,竟是誰家之天下?

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。