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1/10 的耗電量、20 倍讀取速度!清大「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」如何為記憶體注入強大動能?

111/05/30 瀏覽次數 1378
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圖一:清華大學電子工程研究所 林崇榮教授(影像來源:林崇榮教授提供)

科技快速發展,消費者對智慧手機、平板電腦、穿戴式裝置…等各種行動設備的效能要求越來越高,因應市場需求,在此類設備中扮演關鍵角色的記憶體也需快速進化,清華大學電子工程研究所林崇榮教授所研發的「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」(High Density 3D Via Resistive Random Access Memory ,RRAM ),透過領先業界的陣列特殊陣列方式,可大幅提升記憶體的儲存容量、資料讀取速度,近期更與台積電攜手開發,讓此技術能盡快落地使用,為我國的半導體注入強大成長動能。

新世代記憶體成趨勢!電阻式記憶體 (Resistive Random Access Memory ,RRAM) 是其中之一

對於「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」,林崇榮先從記憶體開始談起。他點出科技產品已成為現代生活的一部分,大家也都知道記憶體」與手機、電腦的效能息息相關,但多數人並不理解此元件的作用。如果將電子設備的內部視為一座工廠,處理器是負責製造的產線,硬碟則是儲存資料的物流中心,然而物流中心與產線的距離較遠,資料來回的時間太久,最好的方法就是將常用的資料、程式先放在工廠旁邊的小倉庫中以求方便取用,這個倉庫就是記憶體。

目前市場的主流記憶體是 NAND Flash,也就是大家常聽到的快閃記憶體,不過林崇榮指出,近幾年電子設備效能越來越高,快閃記憶體的體積和資料讀寫速度逐漸無法跟上,「這個問題在 AI 普及後將更嚴重,因此新世代記憶體開始廣為業界重視,電阻式記憶體就是其一。」

電阻式記憶體的優勢是可以用奈米級的速度轉換電阻,而且可以用極低電流操作,無論是讀寫速度或耗電量都比快閃記憶體更具優勢。

三維記憶體成為行動裝置的最佳解方

無論是電阻式和其他類型記憶體,其記憶單元陣列都是單層,由於現在行動裝置的內部空間有限,儲存容量難以擴張,因此三維成為最佳解方。不過要在層層堆疊的三維記憶單元陣列(Three Dimensional Memory Cell Array) 中讀取資料,讀取速度又會降低,導致電阻式記憶體難以兼顧快速讀寫與大量儲存優勢。「我們團隊研發的『高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體』技術,就是此問題的最佳解方。」

林崇榮接著以建築物概念解釋「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的架構與運作原理。他表示現在記憶體的記憶單元陣列是二維,也就是一層樓平房,近年來電子設備的資料量漸大,而且體積快速縮小,此問題的解決之道就是往上蓋成高樓,在上面堆疊更多記憶體,形成高密度架構,讓有限的平面面積使用效率最大化,「不過住過高樓的人都知道,上下樓層時往往要花大量時間搭乘電梯,記憶體讀取也是一樣,三維陣列會拖慢資料的讀取速度。」

蝕刻孔技術讓讀取速度快了 20 倍

對此林崇榮研發出蝕刻孔技術 (Dual Damascene Cu Via Technology),「這項技術就像在不同棟的高樓層中架設橫向連通道,系統不再只能垂直讀取,可透過橫向通道快速抓到所需資料,不僅讀取速度更快,耗電也更低。」根據實測結果,與 NAND Flash 相較,「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的讀取速度至少快了 20 倍,使用的電力也在 1/10 以下。

「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」具備極大優勢,研發過程中林崇榮團隊也吃盡苦頭,他點出這項技術的最大挑戰在於記憶單元橫向連接的精準度。「現在的記憶單元都是奈米等級,因此連接的銅線直徑也必須同樣規格,要在又高又小的陣列中精準連接記憶單元,難度可想而知。」在多年的努力下,林崇榮團隊不僅順利克服挑戰,還主動給自己出了另一個難題,與台積電攜手在 16 奈米 FinFET 的製程平台上進行開發。

林崇榮指出,現在的記憶體與處理器仍屬於兩種不同元件,系統運作時,處理器必須持續從記憶體讀取資料,為了提升效率,市場出現記憶體運算(Computing-in-Memory, CIM)概念,讓同一元件兼具運算與儲存功能,減少兩者之間資料的傳輸、移動時間,「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」則是在同一製程中,將兩者整合為同一元件,達到CIM目標。

台積電與清大攜手推進半導體製造技術

打造 CIM 需要極高的半導體製造技術,台積電對半導體製程技術的掌握能力居全球之冠,而且與清大合作多年,雙方的默契與互信度非常高,因此成果也一如預期浮現。林崇榮透露,16奈米製程開發工作已完成,目前正在成果分析階段,「下一個階段的目標是挑戰 7 奈米 FinFET 製程技術,將記憶體密度衝到 1.6Gb/mm2,5 奈米製程也正在洽談中,如果研發成功,記憶體密度有機會一舉提升到 3 Gb/mm2。」

林崇榮指出臺灣的半導體的製程技術位居全球產業領先地位,「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」計畫則善用此一優勢,「現在市場競爭越來越激烈,透過這次產學兩端研發能量的整合,我們希望讓國內半導體的技術布局更全面,並創造出屬於臺灣的產業獨特價值。」

資料來源

●    Ying-Chun Shen, Chien-Ping Wang, Kun-Lin Liou, Po-Hung Tan, Yi-Chung Wang, Shu-Chi Wu, Tzu-Yi Yang, Yi-Jen Yu, Tsung-Yu Chiang, Yue-Der Chih, Jonathan Chang, Jiaw-Ren Shih, Chrong Jung Lin, Ya-Chin King*, Yu-Lun Chueh*, “Multifunctional Ion-Sensitive Floating Gate Fin Field-Effect Transistor with Three-Dimensional Nanoseaweed Structure by Glancing Angle Deposition Technology,” in Small, vol. 18, no. 5, pp. 2104168, Feb. 2022.
●    Chien-Ping Wang, Burn Jeng Lin, Pin-Jiun Wu, Jiaw-Ren Shih, Yue-Der Chih, Jonathan Chang, Chrong Jung Lin and Ya-Chin King*, “Embedded Micro-detectors for EUV Exposure Control in FinFET CMOS Technology,” in Nanoscale Research Letters (NRL), vol. 17, pp. 5, Jan. 2022.
●    Po-Hung Tan, Che-Hao Hsu, Ying-Chun Shen, Chien-Ping Wang, Kun-Lin Liou, Jiaw-Ren Shih, Chrong Jung Lin, Ling Lee, Kuangye Wang, Hong-Min Wu, Tsung-Yu Chiang, Yue-Der Chih, Jonathan Chang, Ya-Chin King*, Yu-Lun Chueh*, “Complementary Metal–Oxide–Semiconductor Compatible 2D Layered Film-Based Gas Sensors by Floating-Gate Coupling Effect,” in Advanced Functional Materials (AFM), pp. 2108878, Dec. 2021. (Early Access, doi: https://doi.org/10.1002/adfm.202108878)

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