引言：磁阻隨機存取記憶體（Magnetoresistive Random Access Memory，簡稱 MRAM）是一種非揮發性記憶體，資料在斷電後仍可保留，它利用磁性材料儲存資料，而不是傳統像是 DRAM 或 Flash 使用的電荷儲存。MRAM優勢是可替代需要電池供電的SRAM和DRAM，尤其在汽車、國防、航空太空與可穿戴裝置等領域，MRAM讀寫速度媲美傳統記憶體，同時又有非揮發性的優點，因此採用的比例愈來愈高。根據MRAM用途及配置方式，可區分為離散式（Discrete MRAM）與嵌入式（eMRAM）兩種類型：前者封裝獨立，強調高可靠性、耐輻射應用，適用於資料中心、工控電腦、航太系統、軍用通訊設備領域；後者整合進 SoC / MCU 中，具有面積小、功耗低，以及與邏輯製程兼容的優勢，適用於空間和功耗受限的場合。根據市場研究機構Precedence Research報告，近年隨著MRAM的容量和性能的提升，在資料中心、雲端技術及互聯網的需求帶動下，2024年全球市場規模42.2億美元，預計2025-2034年間以35% CAGR增長，凸顯MRAM技術在商業上的強勁影響力。本期報導帶您從專利的角度檢視MRAM技術，近期有哪些值得關注的發展趨勢。
博大國際視野：前瞻趨勢/ 磁阻隨機存取記憶體(MRAM)
內容摘錄：運用專利情報，檢視近年MRAM市場的發展概況，與值得關注的廠商。全球近十年間的專利申請，以美國(39%)和中國(29%)，合計就佔全球68%的專利申請量，值得注意的是歐盟為強化關鍵技術自主與供應鏈韌性的《歐洲晶片法案》導致這幾年多家廠商積極布局在歐盟的專利。從2004年以來MRAM技術由美國廠商(44%)和日本廠商(24%)主導近20年來的技術發展，將MRAM技術從原型邁向標準化量產，帶動專利申請數量穩健成長；專利申請數量最高的前20名，美國(高通、IBM、美光等)和日本(Kioxia、TOSHIBA、Renesas等)公司就佔了13位，另外值得關注的公司
韓國三星、台灣積體電路，位列廠商專利申請數量的1-2名。
透過DI的高影響力篩選高影響力公司：Applied Materials、Western Digital Technologies
壹、 各國市場近年在MRAM技術的專利申請數量變化(比較近五年和前五年)，如上圖。從2015至2024年全球十年間的專利申請，以美國和中國為主，合計就佔全球68%的專利申請量。其他還有 歐盟、台灣、韓國、日本、德國，也是MRAM技術主要布局的國家，近年比較值得注意的是歐盟近五年的專利申請成長了54%，是MRAM技術布局非常活耀的地區。
歐盟為因應全球供應鏈中斷與地緣政治緊張，為強化關鍵技術自主與供應鏈韌性，自 2019 年起先後透過 Chips Act、IPCEI、Horizon
Europe 等計畫並撥付數百億歐元補貼，吸引 GlobalFoundries、台積電(TSMC)合資廠、Infineon 等晶圓廠商及 MRAM 相關企業在近五年內大舉擴建歐洲生產與專利申請，以強化本地半導體布局。相關的報導如下：
Ø
歐盟晶片法案推升本地投資：2023年正式通過的《歐洲晶片法案》（European Chips
Act），規定到 2030 年公共與私營合計至少投入430億歐元用於半導體製造設施建設，直接激勵晶圓代工廠加速在歐洲擴產或布局新廠 (European Commission)
Ø
TSMC與歐盟合作：台積電與Bosch、Infineon、NXP聯合在德勒斯登設立「ESMC」 合資廠，投資總額約98億歐元，其中德國或歐盟補貼高達50億歐元，計畫預計2027 年投產
(2023/8/8 Investopedia)
Ø
GlobalFoundries 在德勒斯登擴廠：GF計畫在其德勒斯登工廠再投80億美元，力爭到本世紀末將產能翻倍；該擴資案即在歐盟資助框架下與德國政府談判中啟動 (2023/10/2
Bits&Chips)
Ø
Infineon新廠獲9.2億歐元援助：英飛凌在德勒斯登的MEGAFAB-DD計畫獲歐盟批准9.2億歐元國家補助，用於增強其生產多種晶片的能力
(2025/2/20 Reuters)
貳、 全球MRAM技術的專利申請趨勢，如上圖。從2004至2024年MRAM技術已持續多年穩定地發展，且該技術創新近20年由 美國 和 日本 廠商所主導；值得一提的是，中國近幾年MRAM的專利申請在正快速增加，儘管美國仍舊是最大主導者，但日本在MRAM的領先地位逐漸受到挑戰。
MRAM技術的發展歷史，可追溯到1984年Arthur V. Pohm和James
M. Daughton在霍尼韋爾(Honeywell)開發了第一台磁阻儲存設備(維基百科)，而後開始後受到Motorola、Sony、IBM和Infineon等廠商的關注，直到2000年技術取得突破MRAM快速發展起來，從2004年象徵著MRAM由原型邁向標準化產品以來，日本（Toshiba、NEC、TDK、Sony）與美國（IBM、Freescale/Everspin、Cypress、GlobalFoundries）廠商積極發展關鍵技術突破與產品化量產方案，帶動專利申請數量穩健成長(2025/1/2 MRAM-Info)。隨著MRAM製造技術逐漸趨於成熟，以及市的持續擴大，有越來越多的公司進軍MRAM領域，這將加速MRAM的產業化進程。
參、
延續前面的報導，自2004年MRAM由原型邁向標準化產品以來，從專利數量上來看全球，有哪些值得注意的廠商。如上圖，列出專利申請數量最高的前20名，其中美國(高通、IBM、美光等) 和日本(Kioxia、TOSHIBA、Renesas等) 的公司就佔了13位，凸顯美、日兩國整體在MRAM技術的布局有相當高的影響力。另外，同樣值得關注的公司有韓國三星、台灣積體電路位列專利申請數量的1-2名，是擁有最多MRAM技術的公司之一。
另外值得一提，中國雖然近年有相當多的專利申請，但僅有零星幾家廠商進入前20名，上海磁宇資訊、浙江馳拓科技，這兩家廠商從專利擴展數量上來看，並未積極布局國外市場；中國在 MRAM 仍在起步階段。
最積極布局全球MRAM技術的兩家公司：
l 韓國三星（Samsung）和SK海力士合資，從2009年開始在合資企業中開發STT-RAM，到2019年Samsung宣布已開始大量生產其首款嵌入式MRAM設備，最近在2024年底已實現量產14nm製程，已在其Foundry路線圖上完成14nm嵌入式MRAM製程的開發，達到16MB記憶體模組的量產，該製程與28nm FD‑SOI 版本製程相比，14nm 縮減了33%的面積，並且使讀取時間加快了 2.6 倍 (2024/6/1 mram-info)
l 台積電
(TSMC) 自2004年起投產1Mbit零件以來，至今已經可以提供成熟的 STT‑MRAM嵌入式解決方案，來克服嵌入式快閃記憶體技術的擴展限制。並持續探究 SOT‑MRA 與 VC‑MRAM，以實現<2ns的極速切換和更高密度儲存。2023年台積電和NXP將推出16 nm FinFET汽車嵌入式MRAM (mram-info；TSMC)
2020-2025 High Technology
Impact Patent
US20160351799A1 Film stack for patterning magnetic tunnel junctions in
microelectronic devices, has etch stop layer placed on capping layer, spin on
carbon layer placed on hard mask layer, and anti-reflective coating layer
placed on spin on carbon layer. (Applied Materials, 美國)
US20160380183A1 Integrated circuit
arranged in magnetoresistive RAM (MRAM) cell, has upper electrode that is
located above top surface of magnetic tunnel junction (MTJ), and arranged in
direct electrical contact with lower surface of upper metal layer. (台灣積體電路製造, 台灣)
US20210249038A1 Spin-orbit torque magnetic
tunnel junction device used for microwave assisted magnetic recording write
head, consists of substrate, buffer layer containing pre-seed layer containing
silicon, nickel tantalum compound, nickel iron tantalum and cobalt zirconium
tantalum, and bismuth antimony layer. (Western Digital Technologies, 美國；東京工業大學, 日本)
US20210336127A1 Spin-orbit torque
magnetic tunnel junction device for use in e.g. magnetic media drive, has seed
layer over substrate, and bismuth antimony layer which is provided on seed
layer, where bismuth antimony layer having orientation. (Western Digital Technologies, 美國)
US20200035908A1 Integrated chip, has top
electrode coupled to upper interconnect wire, where bottom surface of top
electrode having first width that is less than second width of bottom surface
of bottom electrode. (台灣積體電路製造, 台灣)
US20210408370A1 Spin-orbit torque (SOT)
device for magnetoresistive random access memory (MRAM) device, has bismuth
antimony dopant element alloy layer over substrate and having orientation. (Western Digital Technologies, 美國)
US20200104205A1 Memory device e.g.
magnetoresistive RAM (MRAM) device has second error correction code (ECC)
circuit that detects detected data errors from first ECC circuits, corrects
data errors, and writes corrected data into memory arrays. (台灣積體電路製造, 台灣)
US20200136018A1 Magnetic storage for use
in magnetic direct access memory, comprises first spin orbital transfer spin
torque transfer hybrid magnet device equipped over substrate, and second
SOT-STT hybrid magnet device is equipped over the substrate. (台灣積體電路製造, 台灣)
US11532323B1 Spin-orbit torque magnetic
tunnel junction device for e.g. magneto-resistive memory, has topological
insulator modulation layer comprising bismuth or bismuth-rich bismuth antimony
composition modulation layer, and topological insulator lamellae layers co-deposited
with clusters of atoms e.g. carbide. (Western Digital Technologies, 美國)
US10867625B1 Spin transfer torque device
e.g. magnetic recording device, comprises write pole, seed layer, ferromagnetic
polarizing layer containing Heusler alloy layer containing cobalt and nickel
complexes, nonmagnetic spacer layer and free layer. (Western
Digital Technologies, 美國)
說明：本報導採用的高影響力專利，係以Derwent
Innovation的影響力指標計算
國內MRAM研究團隊&計畫
******************************
國立清華大學材料科學工程學系
▶ 賴志煌
l 新穎磁阻記憶體應用於記憶體內運算之技術開發
l 高效能自旋軌道矩磁性記憶體之開發
l 自旋軌道矩引發的磁多階特性應用於神經計算技術
l 具高熱穩定性和高自旋霍爾角的鐵磁層/自旋電子流源層異質結構
l 自旋軌道矩引發的磁多階特性應用於神經計算技術
l 前瞻磁阻記憶體陣列開發與磁技術分析平台建立
國立陽明交通大學材料科學與工程學系 ▶ 曾院介、黃彥霖、楊朝堯
l 零磁場壓控翻轉磁記憶體之基礎開發
l 探索量子材料於新世代記憶體之應用
l 前瞻磁性記憶體陣列開發與磁技術分析平台建立
l 利用電性量測與光譜學探索反鐵磁序以應用於先進反鐵磁系自旋軌道矩元件
l 磁氧化物之磁電耦合臨場檢測研究
財團法人工業技術研究院電子與光電系統研究所 ▶ 駱韋仲、許世玄、吳志毅
l 高效低耗資料傳輸運算模組關鍵技術開發與系統應用計畫
l 伺服器高速傳輸運算之節能元件關鍵技術先期研究計畫
l 物聯網尖端半導體技術計畫
國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 ▶ 呂明璋、王建隆、鍾添淦
l 探討聚合物奈米纖維與鐵磁奈米線之物理性質
l 探討單根磁奈米線之磁-熱-電多重物理耦合機制
l 探討單根磁奈米線之磁-熱-電多重物理耦合機制
資料來源：GRB政府研究資訊系統
其他參考資料：
1.
What is MRAM? (2025/05/05 MRAM-Info)
2.
IBM的STT-MRAM技術已經接近突破點，離成功不遠了 (2021/03/22科技產業資訊室)
3.
韓國公布《十年晶片制霸藍圖》加碼投資半導體，業內人士：兩國產業同質性高，台灣須步步為營
(2023/05/10關鍵評論)
4.
隨著AI與IoT崛起，MRAM記憶體成為未來之星
(2020/04/06科技產業資訊室)
5.
MRAM 與嵌入式系統 (2016/12/06 GlobalFoundries)
6.
新型記憶體MRAM（二）：產業洞察 (2018/10/15 中國科學院上海微系統與資訊科技研究所)
0 留言