工研院 IEEE 發表新世代記憶體論文,為 FRAM、MRAM 帶領未來商機

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 10 日 13:30 | 分類 尖端科技 , 記憶體 , 零組件 follow us in feedly


工研院於 10 日美國舉辦的 IEEE 國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting,IEDM),發表 3 篇鐵電記憶體(Ferroelectric RAM,FRAM)及 3 篇磁阻隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random-Access Memory,MRAM)相關技術重要論文,引領創新研發方向,並為新興記憶體領域發表最多重要論文者。

工研院指出,IEDM 為年度指標性的半導體產業技術高峰會議,每年由來自全球最頂尖的半導體與奈米科技專家一同探討創新的電子元件發展趨勢,工研院的多篇新興記憶體於會中發表,同時發表論文的機構包括英特爾、台積電、三星等國際頂尖半導體公司。

工研院電光系統所所長吳志毅表示,5G 與 AI 時代來臨,摩爾定律一再向下的微縮,半導體走向異質整合,不同的技術整合性越來越強,能突破既有運算限制的下世代記憶體將在未來扮演更重要角色。新興的 FRAM 及 MRAM 讀寫速度比大家所熟知的快閃記憶體快上百倍、甚至千倍。其中,FRAM 的操作功耗極低,適合 IoT 與可攜式裝置應用,而 MRAM 速度快、可靠性好,適合需要高性能的場域,像是自駕車,雲端資料中心應用等,兩者都是非揮發性記憶體,均具備低待機功耗、高處理效率的優勢,未來應用發展潛力可期。

工研院解釋,FRAM 具有所有新興記憶體技術中最低的操作功耗,但現有的 FRAM 使用鈣鈦礦(Perovskite)晶體為材料,而鈣鈦礦晶體材料化學成分複雜、製作不易且內含的元素會干擾矽電晶體,因此提高了 FRAM 元件的尺寸微縮難度與製造成本。工研院在以「使用應力工程氧化鉿鋯之三維、可微縮、高可靠度鐵電記憶體技術」為題的論文中,成功以半導體製程中易取得的氧化鉿鋯鐵電材料替代現有材料,不但驗證優異的元件可靠度,並將元件由二維平面進一步推展至三維立體結構,展現出應用於 28 奈米以下嵌入式記憶體之微縮潛力。

此外,在以「亞奈安培操作電流之氧化鉿鋯鐵電穿隧接面於記憶體內運算應用」為題的論文中,則使用獨特的量子穿隧效應達到非揮發性儲存的效果,所提出的氧化鉿鋯鐵電穿隧接面可使用比現有記憶體低上一千倍的極低電流運作,並達到 50 奈秒的快速存取效率與大於一千萬次操作的耐久性,此元件將來可用於實現如人腦中的複雜神經網路,進行正確且有效率的 AI 運算。另一篇以「全面性的鐵電穿隧接面模擬架構」為題的論文,團隊則提出了一個目前最完整之鐵電穿隧接面的物理模擬架構,該模型能完整解釋極具爭議的鐵電穿隧接面切換特性,並提供了未來優化元件性能的理論基礎。

另外,在 MRAM 技術的開發,工研院也於 IEDM 中發表自旋軌道轉(Spin Orbit Torque,SOT)MRAM 相關的最新研成果。相較於台積電、三星等公司即將導入量產的第二代 MRAM技術,SOT-MRAM 為全球積極研究中的最新第三代技術,以寫入電流不流經元件磁性穿隧層結構的方式運作,避免現有 MRAM 操作時,讀、寫電流均直接通過元件對元件造成損害的狀況,同時也具備更穩定、更快速存取資料的優勢。相關的技術並已成功的導入工研院自有的試量產晶圓廠,後續商品化的進度可期。

在經濟部科專的支持下,工研院成功的在全球指標性的 IEDM 中發表新興記憶體相關成果;在這個以創新前瞻為導向的國際舞台發光。未來,工研院並將以累積多年的記憶體元件相關研發能量,攜手半導體廠商,搶攻下一波 5G 與 AI 趨勢發展商機。

(首圖來源:工研院)