工研院與本校材料所曾院介教授、電子所侯拓宏教授合作共同開發先進磁阻式記憶體(MRAM),成果皆發表在VLSI超大型積體技術及電路國際會議。
因應MRAM需求高寫入效率、低電阻,以及為追求低損傷的磁性多層膜蝕刻技術,讓陣列晶片達高良率、高穩定度,材料選擇堪稱關鍵。曾院介教授團隊協助工研院開發新穎自旋軌道磁矩磁阻記憶體(SOT-MRAM),藉反鐵磁材料產生偏置場,從而穩定自由層磁矩方向,並透過自旋軌道力矩改變偏置場方向,使記憶位元的0與1都能更加穩定,熱穩定性大幅上升,更適合於高溫環境下應用。這個SOT-MRAM規格擁有0.4奈秒高速寫入、7兆次讀寫高耐受度的特性;而目前在MRAM寫入速度的部分,國際上僅有少數團隊可達到1奈秒以下,凸顯此技術具備的前瞻性。

侯拓宏教授團隊則與工研院研發出首個工作溫度橫跨近400度(零下269度至127度)之通用型廣溫區的自旋轉移力矩磁阻式記憶體(STT-MRAM)。現行的STT-MRAM,在高溫環境下由於磁特性的改變,會使得元件失效;而低溫環境下,寫入電流的上升則會導致元件可靠度變差。侯教授團隊透過優化STT-MRAM的多膜層材料以及元件結構,改善以上問題。此元件在零下269度至127度的範圍內可降低寫入電流,並具備高使用次數(>1011)、優良的可靠度(寫入區間>0.4V)同時兼顧高寫入速度(10ns)以及良好的資料保存能力(>10年)。

MRAM 屬於非揮發性記憶體技術,是利用具高敏感度的磁電阻材料製造的記憶體,斷電時,所儲存的資料不會消失,其耗能低、讀寫速度快、兼具處理與儲存資訊功能,且資料保存時間長,適合需要高性能的場域。MRAM被期待可於5G、大數據、AI人工智慧與物聯網科技、航太領域、量子電腦以及車用電子等前瞻應用扮演關鍵角色。
自旋電子學(spintronics)是MRAM核心知識。兩位教授長年與工研院合作,深感自旋電子學是奈米級電子學的一個新興領域,需要電子、材料、物理跨域人才投入。曾院介教授強調,台灣擁有很多半導體專家,但自旋電子學專家卻非常稀少,主要原因就在於它的跨領域特性,要懂「電」又要懂「磁」,同時要了解在不同材料系統下兩者的交互影響,跨入的門檻相對較高。「然而業界已經有這個需求,且持續增加,但卻看不到學此專業的學生人數有隨之增加」,兩位教授不約而同說到。兩位教授鼓勵陽明交大學子投入此領域深耕,凸顯自己在半導體專業上的特殊性。