物质的磁性在数千年前被发现及被应用，但直到数十年前（1900~）实验与理论科学爆炸性的发展，才使大众得知物质是由很多小颗粒（例如：中子、质子、电子...等）所组成，于是开始进一步去了解物性的本质。

磁性是自旋电子在物质中集体行为的表现，铁磁性的产生是上旋或下旋电子往某一方向作有序的排列，使电子自旋能有序排列的力量称为交互作用力（ Exchange Force）。交互作用完全是量子力学效应，其作用范围只有数埃，电子在物质内运动会因散射、热扰动...等因素，使得自旋的平均值为零，因此在巨观测量中不被察觉。然而由于近年奈米制程与测量技术的进步，使得在微观与介观的世界下电子的自旋自由度是多么的真实和具体，不但能探讨其物理特性并可将它与工业技术结合。

电子带有电荷及自旋特性，前者的应用却造就了半导体电子工业并大幅改变了我们传统的生活，然而电子的自旋特性在过去只是理论科学的产物，目前因为奈米制程技术的进步及巨磁阻（Giant Magnetoresistance；GMR）及穿隧式磁阻（Tunnel Magnetoresistance；TMR）的发现，将使我们能够突破过去的障碍而能够真正应用电子的自旋性，故自旋电子（Spintronics）元件成为奈米电子重要技术之一，而MRAM（Magnetic Random Access Memory；磁阻式随机存取记忆体）又是自旋电子元件中短期内最可能实用化的应用产品技术。

MRAM以磁电阻的特性储存记忆资料，利用不同的磁化方向来记录0与1，所以只要磁场不改变，磁化方向就不会改变，不必通电资料也不会流失，写入与读取资料速度媲美SRAM，记忆容量大小可向DRAM看齐，此外低耗电亦是一大优势，所以未来各种诉求环保、低耗电、行动通讯...等的产品，都是这种记忆体的应用市场。

MRAM特性简介

因MRAM是利用磁性物质的状态来代表资料位元，而磁性物质的状态在没有外加磁场的改变下是不会变动的，不像DRAM需要电源的供给来维持资料的储存，故MRAM具有像Flash非挥发的特性，其资料不会因电源的中断而消失。 MRAM的记忆胞（Cell）只要一个电晶体（Transistor）和一个磁性元件结构（Magnetic Tunneling Junction；MTJ）即可构成；至于DRAM的记忆胞是用一个电晶体和一个电容构成；SRAM的记忆胞则是用4个或6个电晶体所组成。虽然MRAM目前记忆胞的实际面积仍比其它记忆体大，但随着制程微缩及结构的改善（例如由原本的1T1MTJ改成1T2MTJ结构），其单位体积中的元件积集度有较大发展空间，因此在记忆密度的提升亦较具潜力。

另外MRAM尚有存取速度高、存取次数高（较Flash多约1010倍）、工作耗能低及具有嵌入式（Embedded）特性等优点，可说较目前现有的记忆体更具有发展空间，如(表一)所示。在主流记忆体中，因SRAM每Mb的平均售价（Average Selling Price）较DRAM、NOR-Flash、及NAND-Flash高出许多，若未来MRAM导入量产后，将制造成本压低，有机会先取代SRAM的市场。

《表一 MRAM与各内存特性比较结果》

＜资料来源：ERSO；工研院IEK，2003/12＞

MRAM技术发展关键问题

热稳定性

基本上MRAM的架构是建筑在一个传统半导体之CMOS结构上。而在一般CMOS制程中，通常会经过450℃的退火程序来治疗电浆损坏（Plasma Damage）效应。在传统DRAM与SRAM此高温退火过程不会对记忆元件造成伤害，但在MRAM中由于记忆胞的膜厚只有数个奈米的厚度，经由一高温退火程序后通常会发现记忆胞的磁阻变化率大幅下降到零，进而造成记忆元件之功能失效。目前主要有两个发展方向，其一是降低退火温度，例如以不同的治疗气体（Healing Gas），使得治疗电浆损坏之温度由450℃降至250℃，进而使得记忆胞仍维持着高磁阻变化率；另一个方法是改善材料性质以提升记忆胞的热稳定度，如IBM利用OsMn合金来当反铁磁材料。

写入电流

MRAM的写入过程主要是利用电流产生磁场的原理来进行写入的动作，而此过程相对于其他记忆体而言需要较大的电流，进而也造成较大的热能​​损耗。目前各相关厂商的研究方向除了在新材料的开发，另一方面就是改良MRAM之导线架构。在新材料的开发方面，将着重于高透磁材料的研发，藉由高透磁材料的导入，使磁力线的分布更为密集，可用较低写入电流产生相同的磁场；在改良MRAM导线架构方面，可以调整Bit Line与Digit Line的角度，使得其产生的磁场向量合为最大，亦可降低写入电流。

记忆胞操作均匀性

MRAM的写入过程中主要是利用自由层磁化方向的翻转来进行0与1讯号的写入工作。而当MRAM以高密度方式制作时，一颗晶片上可能就有数以万计的记忆胞，而要确保每颗记忆胞的写入磁场都相同，其实是一项非常艰巨的工作。因微影过程中造成每一颗记忆胞形状有一定的误差，而记忆胞形状的些许差异会影响矫顽场（使磁矩翻转所需的最小磁场）甚巨。如何增加对形状误差的容忍度，将是一大重要的挑战，目前记忆胞的形状，已经由早期的长方形演变到椭圆形及近期的眼形（Eye-Shape）。

MTJ的蚀刻制程

离子蚀刻法是半导体生产中常用的加工法，将活性气体转化成离子，然后使之与对象物体发生化学反应，有选择地进行蚀刻。在原来的半导体制造技术中，蚀刻金属时一般使用氯气（Cl2），而在使用氯气蚀刻TMR元件时，化学反应的生成物变成非挥发性物质后，会残留在晶圆上。这里存在的问题是，这种反应生成物在空气中与水分发生反应所生成的氯化氢（HCl）会腐蚀金属，从而导致在MRAM的制造过程中产生缺陷，使得通道绝缘膜的绝缘性遭到破坏。

厂商动态及发展现况

Motorola

在展望半导体未来策略方向时，Motorola强调内嵌式非挥发性记忆晶片的重要性，对目前积极发展的MRAM技术而言，正切合其锁定的目标市场，如行动通讯、网路以及消费性电子市场等。

Motorola于2002年6月曾导入0.6微米技术，制作容量达1Mb的MRAM样本。在2003年12月召开的“IEDM2003”国际半导体制造技术会议上，发表利用0.18微米技术制作4Mb MRAM样本，其表示4Mbit产品的问世，MRAM极有可能取代多种现有的记忆体技术。新的4Mbit（256K×16）MRAM晶片与2003年6月的1Mb晶片相比，新产品在制程技术上大幅推进了四到五个世代，并采用触发（Toggle）技术，彻底改进了单元数据的擦写方式。过去，通过在垂直相交的位线（Digital Line）和写入用字线（Word Line）中导入电流，利用这两股电流产生的合成磁场改写位于交点的单元数据。而所谓的触发技术则是分阶段改变位线和写入用字线的电流值来写入数据，其写入星状曲线（Asteroid Curve）中的工作区从而成功地显著增加了，因而提高量产时的位元成品率。

Motorola于2003年10月已向Honeywell提供MRAM技术的使用授权，这项协议预计将会增强Honeywell开发抗辐射（Radiation-hardened）MRAM的能力，以应用于卫星和军事等严酷执行环境中提供资料稳定性。 Motorola表示将于2004年初针对更多厂商提供MRAM样品，期望在2004年底前，使MRAM标准商品化。此外，计画从2004年中开始，导入0.18微米制程制造嵌入式MRAM，并期望可在2005年推出MRAM产品。

IBM & Infineon

在2003年VLSI技术研讨会上，IBM和Infineon的合作研发团队展示以0.18微米制程技术所制造的高速128Kb MRAM核心。于2004年6月公布以0.18微米制程制造容量达16Mb的MRAM，如(图一)所示，继Motorola半年前所发表的4Mb MRAM后，是至今为止容量最大的。其表示MRAM有可能成为未来的通用储存技术，并可能在未来的几年内从根本上改变整个记忆体市场。

IBM和Infineon于法国合资成立Altis Semiconductor，并宣布将MRAM产品开发移交给此公司。 Altis于2003年获得法国政府2500万欧元（约2,830万美元）的资助，并于2003～2005年出资1.7亿欧元（约2亿美元），以0.18和0.13微米CMOS铜制程技术进行开发256Mb MRAM，计画2005年进行MRAM的商用化生产。

《图一 IBM与Infineon所发表的16Mb MRAM》

＜资料来源：日经BP网，2004/06＞

NEC & Toshiba

全球第二大半导体厂商Toshiba于2002年9月同意与竞争对手NEC策略联盟，合作发展可减少PC与手机耗能的新一代记忆体；两家公司计划在2005年前开始量产最新MRAM。在2003年4月的「电子资讯通信学会积体电路研究会」中，NEC和Toshiba公开1Mbit MRAM的试制产品，其规格在穿隧式磁阻（TMR）单位部份为0.6微米制程，记忆体单位面积为6.55μm2，电源电压为2.5V，磁阻变化率（MR）为22％。NEC和Toshiba策略联盟，计画于2005年春季前投资逾100亿日圆（约8200万美元），开发大规模生产技术，初期计画采用0.18微米制程开发256Mb的MRAM。

结论

MRAM的魅力在于兼具DRAM大容量与SRAM速度快的优点，且与Flash同属于非挥发性记忆体，因此即使关机断电后，资料仍旧存在，而它比Flash的使用寿命更长、存取速度更快。特别是现在的电子资讯产品已发展到​​可以把各种影像（Video）与声音（Audio）用数位方式作储存，因此更需要大容量且速度快的储存媒体。而MRAM的特性几乎可以满足人们对于记忆体的要求，包括容量大、速度快、体积小、及资料长存。

MRAM虽然拥有众多的优点，但在目前的发展阶段仍有许许多多相关的问题与瓶颈待克服与解决，例如记忆胞的热稳定性不佳，需降低退火温度或改善材料性质，或提升记忆胞的热稳定度；写入时的电流大，造成较多的热能损耗，需藉由高透磁材料的导入，或改良导线架构以降低写入电流；记忆胞操作均匀性不佳，需改善记忆胞的形状以增加对形状误差的容忍度等。

随着手机朝向轻薄短小的趋势，手机记忆体采用多晶片封装（Multi-Chip Package；MCP）整合Pseudo-SRAM、LP-SRAM、NOR-Flash及NAND-Flash的比重逐年提升。因MRAM较SRAM更省电，比Flash速度更快，反覆读写次数更高，若是能以MRAM取代，其效能将优于现有的手机记忆体。除此之外，MRAM封装比MCP简单，体积又可以更小，成本上有机会更低。

2003年MCP封装的出货量比重中，以32及64Mb的Flash搭配SRAM为主流，分别占35％及40％，表示若MRAM容量可达64Mb量产，将有机会开始取代手机记忆体的市场。 MRAM在容量上的发展在近年来大有突破，IBM与Infineon于日前公布了现在可达的最大容量16Mb，以此研发态势来看，2005或2006年推出64Mb以上产品是指日可待。

（作者任职于工研院经资中心）

延 伸 阅 读	MRAM兼具现有三大记忆体的优点，所以被称为下一代的梦幻记忆体。相关介绍请见「浅谈磁性记忆体技术原理与前景」一文。 NOR Flash为目前快闪记忆体的主流产品，在整体的Flash市场上占有极高的占有率。你可在「NOR Flash成长驱动力分析」一文中得到进一步的介绍。 记忆体在最近这几年随着可携式产品的发展，有了许多不同的面貌与空间。在「找寻梦幻记忆体」一文为你做了相关的评析。

相关网站	Freescale Semiconductor Altis Semiconductor 工研院电子所