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工研院於IEDM發表下世代FRAM與MRAM 技術

2019-12-10 18:11經濟日報 曹松清

工研院在全球指標性的IEDM中發表新興記憶體FRAM與MRAM相關成果,未來應用...
工研院在全球指標性的IEDM中發表新興記憶體FRAM與MRAM相關成果,未來應用發展潛力可期。 工研院/提供
工研院於今美國舉辦的IEEE國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting,IEDM)中發表三篇鐵電記憶體 (Ferroelectric RAM,FRAM)以及三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中發表篇數最多者。

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,展現團隊深耕記憶體領域獲國際肯定的豐碩成果,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。

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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。

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)晶體作為材料,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。

工研院在以「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。

在MRAM技術的開發上,工研院也於IEDM中發表自旋軌道轉矩(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,證明了工研院的研發成果獲得肯定。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。

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