实现下世代“记忆体内运算”的关键？铁电记忆体商用还有多远？

现今半导体产业持续朝向更小的制程节点迈进，包括 DRAM 与 NAND Flash 已开始面临到元件微缩的严苛技术挑战。基于 HfO2 材料之铁电记忆体不仅有更大的尺寸缩微空间，也可实现 3D 结构整合，甚至具备多位元储存的可行性。然而，其又面临着什么样的技术挑战和未来前景呢？
在新兴的记忆体技术选项中，目前最受到业界期待、最有潜力可突破 von Neumann 架构瓶颈，成为下一阶段记忆体内运算（In-memory Computing）建构基础者，当属“铁电记忆体”。现今记忆体市场仍以 DRAM 与 NAND Flash 为主流，采用二氧化铪（HfO2）材料的铁电记忆体，不仅具有高极化密度，可大幅缩减记忆胞面积，其良好的镀膜保形特性也有利于以半导体制程建构高积集度的 3D 结构。
就目前的研究进展，铁电记忆体有可能超越 NAND Flash 储存密度、维持永久记忆时间，又有比 DRAM 更快的写入速度，及近似 DRAM 的耐久性。因此可合理期待，未来它将是弭平 DRAM 和 NAND Flash 界线、实现“储存级记忆体”与“记忆体内计算”的下世代记忆体关键技术。
事实上，铁电记忆体的技术已发展超过 50 年了，由于其驱动原理是利用电压来改变位元状态，不是使用电流，元件读写时所需的功耗极低。同时，此元件也具备非挥发性、耐久性及转换速度超快等特点，因此一直被视为储存应用的理想技术。
然而，早期的铁电记忆体发展大多是采用基于钙钛矿族的锆钛酸铅（PZT）来制作，碍于该材料本身的压电特性复杂及制程上保形沉积困难等限制，其产品应用仅局限于利基市场。而近年来随着半导体常见材料 HfO2 被发现具有铁电相特性，且该材料的应用制程复杂度低、成本上更具优势，才终于为铁电记忆体推升另一波新的产业发展契机。
长远来看，迈向高密度储存应用的独立型（standalone）记忆体市场极具有潜力，原因在于单一记忆胞可储存 3 个位元的技术已实现 ，且类似 3D NAND Flash 快闪记忆体之垂直式 FeFET 记忆体元件结构也成功展示，透过适当的技术整合是相当有机会的。另外，FeFET 记忆体在神经型态运算的系统中亦可扮演突触 与神经元的角色，是未来 In-Memory Computing 架构中极具潜力的记忆体技术。
铁电记忆体前景可期，期待早日完成策略布局
综观记忆体技术走向，随着“记忆体内运算”的发展，铁电记忆体不仅在先进制程、元件微缩，甚至多位元储存上，都具备可行性与前瞻性，也因此受到学界与业界的高度瞩目。虽然目前仍需克服耐受性上的不足，不过仍是未来记忆体内运算架构中，极具潜力的记忆体技术。
本篇原文作者中国台湾清华大学巫勇贤教授，多年来致力于铁电记忆体的学术研究，其团队曾发表过许多重要的研究成果，皆已刊登于国际知名期刊，去年也获选为 IEEE Electron Device Letters 的期刊封面与编辑精选。目前也与闳康科技进行产学合作，以其专业检设设备与技术，共同推动铁电记忆体研究发展。
然而，欲在铁电记忆体产业取得领先地位，除了于元件创新技术上须具备优势外，相关的电路与系统封装整合技术也是关键，也期待后续能看见产官学界及早掌握契机，协力进行完整策略布局。