台工研院发布新世代MRAM/FRAM技术

AI、5G等应用推升资讯量呈现爆炸性的成长，因应如此庞大的资料储存、传输需求，在DRAM、SRAM、快闪记忆体等存在已久的记忆体技术愈显吃力的情况下，新兴记忆体备受关注。为此，台湾地区工研院近期于IEEE国际电子元件会议(International Electron Devices Meeting, IEDM)上发表新一代 FRAM与MRAM 技术进展，除了引领业者创新研发方向外，也希望能藉此加快新兴记忆体发展脚步。

台工研院电光系统所所长吴志毅表示，5G与AI时代来临，且产生的资料量更多、更广，因此会有更大的储存需求；而要有更快的运算效率，意味着记忆体的读取速度也要再加快。因此，5G、AI的出现，驱使记忆体朝更大容量、更快读取速度发展，也因此，各大记忆体业者开始加快并投入更多资源开发新兴记忆体，能突破既有运算限制的下世代记忆体将在未来扮演更重要角色，期能在日后取代目前主流的三大记忆体产品(分别为DRAM、Flash和SRAM)。

吴志毅说明，新兴的FRAM及MRAM读写速度比大家所熟知的快闪记忆体快上百倍、甚至千倍。其中，FRAM的操作功耗极低，适合IoT与可携式装置应用，而MRAM速度快、可靠性好，适合需要高性能的场域，像是自驾车，云端资料中心应用等，两者都是非挥发性记忆体，均具备低待机功耗、高处理效率的优势，未来应用发展潜力可期，而工研院也积极研发新一代的FRAM和MRAM技术，加快普及速度。

首先在MRAM技术的开发上，台工研院于IEDM上发布自旋轨道转矩(Spin Orbit Torque, SOT)MRAM相关的最新研成果。相较于台积电、三星等公司即将导入量产的第二代MRAM(STT-MRAM)技术，SOT-MRAM为全球积极研究中的最新第三代技术，以写入电流不流经元件磁性穿隧层结构的方式运作，避免现有MRAM操作时，读、写电流均直接通过元件对元件造成损害的状况，同时也具备更稳定、更快速存取资料的优势。目前相关的技术已成功导入工研院自有的试量产晶圆厂，后续商品化的进度可期。

至于在FRAM，其具有所有新兴记忆体技术中最低的操作功耗，但现有的FRAM使用钙钛矿(Perovskite)晶体作为材料，而钙钛矿晶体材料化学成分复杂、制作不易且内含的元素会干扰矽电晶体，因此提高了FRAM元件的尺寸微缩难度与制造成本。

为此，工研院在以“使用应力工程氧化铪锆之三维、可微缩、高可靠度铁电记忆体技术”为题的论文中，成功以半导体制程中易取得的氧化铪锆铁电材料替代现有材料，不但验证优异的元件可靠度，并将元件由二维平面进一步推展至三维立体结构，展现出应用于28奈米以下嵌入式记忆体之微缩潜力。

另外，工研院也以“亚奈安培操作电流之氧化铪锆铁电穿隧接面于记忆体内运算应用”为题的论文中，使用独特的量子穿隧效应达到非挥发性储存的效果，所提出的氧化铪锆铁电穿隧接面可使用比现有记忆体低上一千倍的极低电流运作，并达到50奈秒的快速存取效率与大于一千万次操作的耐久性，此元件将来可用于实现如人脑中的复杂神经网路，进行正确且有效率的AI运算。