科技部国研院“埃世代半导体计画”成功开发SOT-MRAM内存 往1奈米以下前进
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科技部辖下之国家实验研究院台湾半导体研究中心（国研院半导体中心），配合科技部推
动“埃世代半导体计画”，协助国内学研团队在设备自主、关键材料、人才培训及提升研
发能量等多面向，守护台湾半导体科技的竞争实力。
2021年11月9日，清华大学、台湾大学及工研院共同研发出新型态的“自旋轨道力矩式磁
性内存”（SOT-MRAM），成为全世界极少数开发出具备垂直异向性SOT-MRAM元件的团队
。现正将相关技术陆续转为平台服务，以协助国内产学研界能将优秀的研发成果进一步接
轨至内存芯片或新一代人工智能芯片等应用验证。
磁性内存MRAM是未来重要的新颖储存技术
数位化网络时代，为了能有效储存与快速分析庞大的数据，芯片里需要能快速读写、低耗
电、断电后不会遗失资料的内存元件，而“磁性内存”（Magnetoresistive Random
Access Memory，缩写为MRAM）这个新颖储存技术在后摩尔定律世代，已成为全球各半导
体大厂投入的重点技术。
MRAM运作的原理是利用电子自旋时所产生的微小磁矩，就像在芯片上形成千万个小磁铁，
借由这些小磁铁的磁极方向来记忆0与1，保存资料。不运算时就不必供电，即使断电资料
也不会流失，且磁性翻转速度可达奈秒等级，意味着MRAM具备高速操作的可能性。
由于MRAM兼具“快闪存储器”（FLASH，就是现在常用的随身碟）非挥发性以及“动态随
机存取内存”（DRAM）可快速操作等两种优秀的特性，而让磁性内存MRAM十分适合与
逻辑元件整合在一起，形成高速、低耗电的内嵌式逻辑IC处理器，所以被公认具有十足的
潜力能成为下一代通用型内存的主流。
目前MRAM已开发出“自旋转移力矩式磁性内存”（STT-MRAM）和“自旋轨道力矩式磁性
内存”（SOT-MRAM）等不同型态的新技术，全世界的领导品牌如台积电、三星、英特尔
等，都已投入相关的研发和应用，并推出代工平台，相信不久之后将陆续会有新产品问世
。
成功研发出更快、更省电、更耐用的下世代MRAM元件
国研院半导体中心携手清华大学工学院赖志煌院长、台湾大学电机工程学系刘致为教授，
以及工研院电子与光电系统研究所，共同参与科技部半导体射月计画，并在国际设备大厂
美商应用材料（Applied Materials, AMAT）赞助新型内存所需材料的帮助下，成功研
发出新型态的SOT-MRAM，其特点是比STT-MRAM更低的写入能量和更快的写入时间，且元件
的耐久力提升至可承受无限次的操作次数。
目前除了英特尔，这支由半导体中心主导的研究团队是全世界极少数开发出具备垂直异向
性SOT-MRAM元件的团队。所谓垂直异向性，就是将元件中磁极的方向旋转90度，就像将平
放的长条磁铁竖直以节省放置面积，因此可以缩小磁区尺寸。这项技术让元件有机会更进
一步微缩，并提升应用价值，相关成果于今年6月在世界上著名的半导体研讨会议“2021
Symposia on VLSI Technology and Circuits”发表。
MRAM的前景虽广受大家注目，但制造技术门槛却相当高，需同时使用多达30几层奈米薄膜
的堆叠技术，而内存尺寸更只有20奈米左右，和其他内存通常只需5到6层薄膜堆叠，
以及尺寸约为50奈米相比，制造难度大幅提高。
为此，国研院半导体中心近年来陆续开发完成MRAM尖端制程及量测技术的平台，其中包括
超高真空金属与金属氧化物薄膜溅镀技术、离子性蚀刻技术和磁性电性量测分析技术等，
提供国内产学研界一个完备而先进的MRAM开发平台，协助台湾SOT-MRAM的发展，促成国内
产学研团队建立翻转未来世代的人工智能芯片关键技术。
注解：
1 埃即是Å ，也就是0.1奈米，10-10公尺。
2 电子自旋是一种量子性质，可以想像成当电子顺时针自旋时，会产生一个向上的磁场，
也就是形成一个下方为S极、上方为N极的微小磁铁；逆时针旋转则产生向下的磁场。电子
自旋只有顺时针旋转和逆时针旋转两种样态。