容量/速度需求持续攀升　次世代记忆体研发脚步不停歇

在人工智慧(AI)等新应用的带动下，运算单元的效能不断升级，也连带让储存资料的记忆体必须具备更大的容量，且资料传输的频宽、延迟要求亦日益严格。因此，业界一方面持续在动态随机存取记忆体(DRAM)跟快闪记忆体技术上投入研发资源，另一方面也在次世代记忆体的研发方面展现更积极的态度，并与像imec这样的研究机构进行更多研发方面的合作。

三大因素驱动记忆体技术向前迈进

imec记忆体与运算技术研发团队副总裁Arnaud Furnémont分析，目前有三大因素正在驱动记忆体与储存装置的研发量能。首先是容量的需求，为了储存更大的资料量，市场对记忆体容量升级的需求一直存在，同时还要降低每位元的资料储存成本。

第二个因素则是资料密集的高性能运算应用所面临的「记忆体撞牆」问题(Ｍemory Ｗall)。为了在短时间内处理大量资料，高性能运算系统必须有极高的资料读取速度，但要持续提高读取速度，在技术上存在相当大的挑战。因此，业界将脑筋动到了缩短逻辑元件跟记忆体距离上面，例如利用3D晶圆接合技术，缩短记忆体晶片与逻辑元件的间距，或是直接提高嵌入式记忆体的密度，用大容量的嵌入式记忆体作为最后一级快取。

第三个因素则是记忆体堆叠密度的增加，导致散热议题变得更难处理。这项技术挑战对高性能记忆体系统的影响不断加剧。例如高频宽记忆体(HBM)就是由多个动态随机存取记忆体(DRAM)堆叠而成。

这三个驱动力，都与运算系统的性能不断攀升密不可分。随著硬体持续跟进摩尔定律，软体导入像是人工智慧与机器学习技术，运算系统可以处理的资料量也更多了。

Furnémont预期，未来会有其他的研发需求获得更多重视。新一代的极低温CMOS电路与量子运算系统可能会需要极低温的记忆体元件。此外，永续发展的概念也会在记忆体研究上继续扩大影响力，因为全球晶圆在记忆体与储存元件的产量远大于逻辑元件。最后，为了在深度学习应用导入神经网路的权重(Weight)，未来将会朝向类比记忆体内运算(In-memory Computing）发展，可能促使非挥发性类神经储存的新兴概念逐步成形。

紧追NAND脚步　3D风潮吹向DRAM产业

目前imec在记忆体技术的研发，可以分成两条路线。首先是与记忆体领域的伙伴携手合作，尽可能持续开发传统DRAM与NAND快闪技术。同时，imec也正在探索一些全新的记忆体概念，跳脱现有的技术框架。

举例来说，NAND快闪技术的读写速度虽慢，却在密度与成本有巨大的优势。为了持续发扬这两项优势，NAND开始垂直堆叠。目前已大量生产的元件，堆叠层数已高达176层，位元线也採用环绕闸极(GAA)结构。随著元件层数增加，元件层的厚度也面临缩减的压力，因此需要微缩垂直间距，同时，元件的面积也要缩小。

imec可以展示超微缩的3D NAND快闪元件，垂直间距降至25nm，且能採用替代的元件架构，例如沟槽式架构，以缩短记忆单元的长度与宽度。此外，imec还扩充了储存元件的发展途径，拓展低延迟应用，在这方面，3D铁电场效电晶体(FeFET)深具潜力。

除了3D NAND，imec也探索其他的元件架构，例如基于离子液体的资料储存概念，以开发更多TB等级的储存解决方案。

3D趋势也正在DRAM领域酝酿之中。在2021年IEEE国际电子元件会议(IEDM)上，imec展示了无电容的氧化铟镓锌(IGZO) DRAM元件，成功改良其性能，未来可望打造出高密度3D DRAM元件，作为电脑的主要记忆体。

目前业界仍採用单个电晶体与单个电容器(1T1C)的元件架构来进行DRAM记忆体阵列的平面微缩，imec相信这套作法还能延续下个5年。但我们有些伙伴已经开始探索3D DRAM架构，朝向更高密度的独立式DRAM元件发展。一方面，imec将协助开发不同的3D元件製程。例如，我们提出了双电晶体零电容(2T0C)的DRAM元件概念，选用氧化铟镓锌材料，并与后段製程相容，藉此，记忆单元的周边电路得以移至记忆体阵列的下方，还能不同的记忆单元还能进行堆叠，从而实现真正的3D解决方案。另一方面，我们也在寻找氧化铟镓锌以外的通道材料，以提升电晶体的性能与稳定性。

图 imec利用IGZO取代硅材料，可望成为3D DRAM的发展基础

超前部署次世代记忆体　三大技术最具发展潜力

至于在次世代记忆体方面，Furnémont透露，imec正在研究三种具备发展潜力的次世代技术。这些次世代技术都可望在DRAM与SRAM之间取得平衡，成为低电压、高密度、嵌入式的记忆体，而且运作能比DRAM还要快，以超高速度将资料馈入逻辑元件。

第一，imec正尝试拓展氧化铟镓锌3D DRAM的应用范围，从前面提到的独立式记忆体，延伸至嵌入式且与逻辑元件相容的应用。

第二，imec也在评估RRAM的应用潜能。这是一种非挥发性且採用1T1C架构的DRAM元件，其电容採用铁电材料。更准确地说，我们在探索不同的铁电材料，寻找能够实现类似DRAM或SRAM应用的材料特性。

第三，imec在研究不同种类的MRAM元件，包含自旋转移力矩式(STT- MRAM)、闸极辅助自旋轨道力矩式(VGSOT- MRAM)与完全电压控制式(VCMA-MRAM)元件，三者各自在速度、功耗、可靠度与微缩能力之间取捨。我们开发了数个与CMOS相容的300mm製程来推动这些技术的进一步发展。

在储存密度方面，最具潜力的是VGSOT-MRAM。透过多柱型的元件设计，让多个柱状的磁性穿隧接面元件(Magnetic Tunnel Junction)连接到同一条採用自旋轨道力矩式设计(SOT)的导线，同时，设计一个完全电压控制式(VCMA)的上闸极作为多工器，负责选择写入某条线路的资料。VC-SOT设计能够达到低于奈秒等级的快速开关能力，因此在任何快取记忆体应用都能发挥作用。