物質的磁性在數千年前被發現及被應用，但直到數十年前（1900~）實驗與理論科學爆炸性的發展，才使大眾得知物質是由很多小顆粒（例如：中子、質子、電子...等）所組成，於是開始進一步去了解物性的本質。

磁性是自旋電子在物質中集體行為的表現，鐵磁性的產生是上旋或下旋電子往某一方向作有序的排列，使電子自旋能有序排列的力量稱為交互作用力 （Exchange Force）。交互作用完全是量子力學效應，其作用範圍只有數埃，電子在物質內運動會因散射、熱擾動...等因素，使得自旋的平均值為零，因此在巨觀測量中不被察覺。然而由於近年奈米製程與測量技術的進步，使得在微觀與介觀的世界下電子的自旋自由度是多麼的真實和具體，不但能探討其物理特性並可將它與工業技術結合。

電子帶有電荷及自旋特性，前者的應用卻造就了半導體電子工業並大幅改變了我們傳統的生活，然而電子的自旋特性在過去只是理論科學的產物，目前因為奈米製程技術的進步及巨磁阻（Giant Magnetoresistance；GMR）及穿隧式磁阻 （Tunnel Magnetoresistance；TMR）的發現，將使我們能夠突破過去的障礙而能夠真正應用電子的自旋性，故自旋電子（Spintronics）元件成為奈米電子重要技術之一，而MRAM（Magnetic Random Access Memory；磁阻式隨機存取記憶體）又是自旋電子元件中短期內最可能實用化的應用產品技術。

MRAM以磁電阻的特性儲存記憶資料，利用不同的磁化方向來記錄0與1，所以只要磁場不改變，磁化方向就不會改變，不必通電資料也不會流失，寫入與讀取資料速度媲美SRAM，記憶容量大小可向DRAM看齊，此外低耗電亦是一大優勢，所以未來各種訴求環保、低耗電、行動通訊...等的產品，都是這種記憶體的應用市場。

MRAM特性簡介

因MRAM是利用磁性物質的狀態來代表資料位元，而磁性物質的狀態在沒有外加磁場的改變下是不會變動的，不像DRAM需要電源的供給來維持資料的儲存，故MRAM具有像Flash非揮發的特性，其資料不會因電源的中斷而消失。MRAM的記憶胞（Cell）只要一個電晶體（Transistor）和一個磁性元件結構 （Magnetic Tunneling Junction；MTJ）即可構成；至於DRAM的記憶胞是用一個電晶體和一個電容構成；SRAM的記憶胞則是用4個或6個電晶體所組成。雖然MRAM目前記憶胞的實際面積仍比其它記憶體大，但隨著製程微縮及結構的改善（例如由原本的1T1MTJ改成1T2MTJ結構），其單位體積中的元件積集度有較大發展空間，因此在記憶密度的提升亦較具潛力。

另外MRAM尚有存取速度高、存取次數高（較Flash多約1010倍）、工作耗能低及具有嵌入式（Embedded）特性等優點，可說較目前現有的記憶體更具有發展空間，如(表一)所示。在主流記憶體中，因SRAM每Mb的平均售價（Average Selling Price）較DRAM、NOR-Flash、及NAND-Flash高出許多，若未來MRAM導入量產後，將製造成本壓低，有機會先取代SRAM的市場。

《表一　MRAM與各記憶體特性比較結果》

＜資料來源：ERSO；工研院IEK，2003/12＞

MRAM技術發展關鍵問題

熱穩定性

基本上MRAM的架構是建築在一個傳統半導體之CMOS結構上。而在一般CMOS製程中，通常會經過450℃的退火程序來治療電漿損壞（Plasma Damage）效應。在傳統DRAM與SRAM此高溫退火過程不會對記憶元件造成傷害，但在MRAM中由於記憶胞的膜厚只有數個奈米的厚度，經由一高溫退火程序後通常會發現記憶胞的磁阻變化率大幅下降到零，進而造成記憶元件之功能失效。目前主要有兩個發展方向，其一是降低退火溫度，例如以不同的治療氣體 （Healing Gas），使得治療電漿損壞之溫度由450℃降至250℃，進而使得記憶胞仍維持著高磁阻變化率；另一個方法是改善材料性質以提升記憶胞的熱穩定度，如IBM利用OsMn合金來當反鐵磁材料。

寫入電流

MRAM的寫入過程主要是利用電流產生磁場的原理來進行寫入的動作，而此過程相對於其他記憶體而言需要較大的電流，進而也造成較大的熱能損耗。目前各相關廠商的研究方向除了在新材料的開發，另一方面就是改良MRAM之導線架構。在新材料的開發方面，將著重於高透磁材料的研發，藉由高透磁材料的導入，使磁力線的分佈更為密集，可用較低寫入電流產生相同的磁場；在改良MRAM導線架構方面，可以調整Bit Line與Digit Line的角度，使得其產生的磁場向量合為最大，亦可降低寫入電流。

記憶胞操作均勻性

MRAM的寫入過程中主要是利用自由層磁化方向的翻轉來進行0與1訊號的寫入工作。而當MRAM以高密度方式製作時，一顆晶片上可能就有數以萬計的記憶胞，而要確保每顆記憶胞的寫入磁場都相同，其實是一項非常艱鉅的工作。因微影過程中造成每一顆記憶胞形狀有一定的誤差，而記憶胞形狀的些許差異會影響矯頑場（使磁矩翻轉所需的最小磁場）甚鉅。如何增加對形狀誤差的容忍度，將是一大重要的挑戰，目前記憶胞的形狀，已經由早期的長方形演變到橢圓形及近期的眼形（Eye-Shape）。

MTJ的蝕刻製程

離子蝕刻法是半導體生產中常用的加工法，將活性氣體轉化成離子，然後使之與對象物體發生化學反應，有選擇地進行蝕刻。在原來的半導體製造技術中，蝕刻金屬時一般使用氯氣（Cl2），而在使用氯氣蝕刻TMR元件時，化學反應的生成物變成非揮發性物質後，會殘留在晶圓上。這裡存在的問題是，這種反應生成物在空氣中與水分發生反應所生成的氯化氫（HCl）會腐蝕金屬，從而導致在MRAM的製造過程中產生缺陷，使得通道絕緣膜的絕緣性遭到破壞。

廠商動態及發展現況

Motorola

在展望半導體未來策略方向時，Motorola強調內嵌式非揮發性記憶晶片的重要性，對目前積極發展的MRAM技術而言，正切合其鎖定的目標市場，如行動通訊、網路以及消費性電子市場等。

Motorola於2002年6月曾導入0.6微米技術，製作容量達1Mb的MRAM樣本。在2003年12月召開的“IEDM2003”國際半導體製造技術會議上，發表利用0.18微米技術製作4Mb MRAM樣本，其表示4Mbit產品的問世，MRAM極有可能取代多種現有的記憶體技術。新的4Mbit（256K×16）MRAM晶片與2003年6月的1Mb晶片相比，新產品在製程技術上大幅推進了四到五個世代，並採用觸發（Toggle）技術，徹底改進了單元數據的擦寫方式。過去，通過在垂直相交的位線（Digital Line）和寫入用字線（Word Line）中導入電流，利用這兩股電流產生的合成磁場改寫位於交點的單元數據。而所謂的觸發技術則是分階段改變位線和寫入用字線的電流值來寫入數據，其寫入星狀曲線（Asteroid Curve）中的工作區從而成功地顯著增加了，因而提高量產時的位元成品率。

Motorola於2003年10月已向Honeywell提供MRAM技術的使用授權，這項協議預計將會增強Honeywell開發抗輻射（Radiation-hardened）MRAM的能力，以應用於衛星和軍事等嚴酷執行環境中提供資料穩定性。Motorola表示將於2004年初針對更多廠商提供MRAM樣品，期望在2004年底前，使MRAM標準商品化。此外，計畫從2004年中開始，導入0.18微米製程製造嵌入式MRAM，並期望可在2005年推出MRAM產品。

IBM & Infineon

在2003年VLSI技術研討會上，IBM和Infineon的合作研發團隊展示以0.18微米製程技術所製造的高速128Kb MRAM核心。於2004年6月公佈以0.18微米製程製造容量達16Mb的MRAM，如(圖一)所示，繼Motorola半年前所發表的4Mb MRAM後，是至今為止容量最大的。其表示MRAM有可能成為未來的通用儲存技術，並可能在未來的幾年內從根本上改變整個記憶體市場。

IBM和Infineon於法國合資成立Altis Semiconductor，並宣佈將MRAM產品開發移交給此公司。Altis於2003年獲得法國政府2500萬歐元 （約2,830萬美元）的資助，並於2003～2005年出資1.7億歐元（約2億美元），以0.18和0.13微米CMOS銅製程技術進行開發256Mb MRAM，計畫2005年進行MRAM的商用化生產。

《圖一　IBM與Infineon所發表的16Mb MRAM》

＜資料來源：日經BP網，2004/06＞

NEC & Toshiba

全球第二大半導體廠商Toshiba於2002年9月同意與競爭對手NEC策略聯盟，合作發展可減少PC與手機耗能的新一代記憶體；兩家公司計劃在2005年前開始量產最新MRAM。在2003年4月的「電子資訊通信學會積體電路研究會」中，NEC和Toshiba公開1Mbit MRAM的試製產品，其規格在穿隧式磁阻 （TMR）單位部份為0.6微米製程，記憶體單位面積為6.55μm2，電源電壓為2.5V，磁阻變化率（MR）為22％。NEC和Toshiba策略聯盟，計畫於2005年春季前投資逾100億日圓（約8200萬美元），開發大規模生產技術，初期計畫採用0.18微米製程開發256Mb的MRAM。

結論

MRAM的魅力在於兼具DRAM大容量與SRAM速度快的優點，且與Flash同屬於非揮發性記憶體，因此即使關機斷電後，資料仍舊存在，而它比Flash的使用壽命更長、存取速度更快。特別是現在的電子資訊產品已發展到可以把各種影像（Video）與聲音（Audio）用數位方式作儲存，因此更需要大容量且速度快的儲存媒體。而MRAM的特性幾乎可以滿足人們對於記憶體的要求，包括容量大、速度快、體積小、及資料長存。

MRAM雖然擁有眾多的優點，但在目前的發展階段仍有許許多多相關的問題與瓶頸待克服與解決，例如記憶胞的熱穩定性不佳，需降低退火溫度或改善材料性質，或提升記憶胞的熱穩定度；寫入時的電流大，造成較多的熱能損耗，需藉由高透磁材料的導入，或改良導線架構以降低寫入電流；記憶胞操作均勻性不佳，需改善記憶胞的形狀以增加對形狀誤差的容忍度等。

隨著手機朝向輕薄短小的趨勢，手機記憶體採用多晶片封裝（Multi-Chip Package；MCP）整合Pseudo-SRAM、LP-SRAM、NOR-Flash及NAND-Flash的比重逐年提升。因MRAM較SRAM更省電，比Flash速度更快，反覆讀寫次數更高，若是能以MRAM取代，其效能將優於現有的手機記憶體。除此之外，MRAM封裝比MCP簡單，體積又可以更小，成本上有機會更低。

2003年MCP封裝的出貨量比重中，以32及64Mb的Flash搭配SRAM為主流，分別佔35％及40％，表示若MRAM容量可達64Mb量產，將有機會開始取代手機記憶體的市場。MRAM在容量上的發展在近年來大有突破，IBM與Infineon於日前公佈了現在可達的最大容量16Mb，以此研發態勢來看，2005或2006年推出64Mb以上產品是指日可待。

（作者任職於工研院經資中心）

延 伸 閱 讀	MRAM兼具現有三大記憶體的優點，所以被稱為下一代的夢幻記憶體。相關介紹請見「淺談磁性記憶體技術原理與前景」一文。 NOR Flash為目前快閃記憶體的主流產品，在整體的Flash市場上佔有極高的佔有率。你可在「NOR Flash成長驅動力分析」一文中得到進一步的介紹。 記憶體在最近這幾年隨著可攜式產品的發展，有了許多不同的面貌與空間。在「找尋夢幻記憶體」一文為你做了相關的評析。

相關網站	Freescale Semiconductor Altis Semiconductor 工研院電子所