Book
活动+

铁电元件的快速进展:储存级存储器与存储器中计算

  • 林育中

铁电元件快速发展,未来令人期待。法新社

去年底甫开完的国际电子元件会议 (2019 IEDM;International Electron Device Meeting)计有39个小组,除了第一小组是总会(plenary section)外,个别领域第一个小组是STT MRAM,STT MRAM已经是现在进行式了。另外还有几个小组的标题特别吸引我,分别是神经型态芯片(neuromorphic chips)、量子计算、第一原理计算(ab initio calculation)开发新材料等。许多是才刚变成为半导体产业新焦点的,譬如量子计算现在也变成一个单独的主题议程,去年的Semicon Taiwan也有量子计算的单独新议程。这些新议程的出现指向产业界的研发新动向。

铁电元件也是今年变成单独新议程;Sec 15: Memory Technology-Ferroelectric。铁电存储器以前并不是没有被讨论过,产品存在的时间更长达30年以上。以前受限于所用铁电物质特性的限制,应用只拘于利基市场。近年来的进展主要是新的铁电物质二氧化铪(HfO2)的发现。

二氧化铪是半导体界相当熟悉的材料,28nm以下被普遍用于高介电值材料(high k dielectric),单只是这点就很吸引人,因为用惯的材料放在新元件不容易出大乱子。为什么二氧化铪以前没被发现有铁电性质?因为二氧化铪必须掺杂(doped)其它元素后并且在特殊的晶相(crystal phase)才会显示所要的铁电性质。

试过的掺杂物包括Si、Y、Sr、La、Ge、N等,它的晶相包括单斜相(monoclinic)、四方相(tetragonal)和正交相(orthorhombic)三种,其中单斜相能量最低,但是只有正交相有所需要的铁电性质。如何以适当的掺杂物及掺杂比例、接口物质、退火程序使二氧化铪形成稳定的铁电物质,目前还是研究课题。但以二氧化铪为材料的铁电元件已显示极大的潜力。

二氧化铪的铁电元件可以有三种:FeFET、FeRAM与FeTJ。FeFET的结构与NAND Flash相似,把NAND Flash中的floating gate替代成二氧化铪就成,下面再多加一层金属。因为本身结构也是场效晶体管,所以FeFET做永久存储器、晶体管都成。但工作电压只需4V,比NAND Flash低多了。它的记忆位元内容由铁电物质的极化(polarization)方向决定,而极化方向可以由闸极施加的电压决定。铁电物质的极化方向是永久性的,所以当存储器也是永久性存储器。又因为结构与NAND Flash相似,所以也可以做成3D结构,密度可以很高。

FeRAM的结构与DRAM类似,也是1T1C—一个晶体管、一个电容构成一个存储器位元,只是电容中的介电质改为二氧化铪。这样形成的电容因为二氧化铪的永久性极化而毋需如DRAM般时时重新写入更新(refresh)。

FeTJ (Ferroelectric Tunnel Junction)则是像MRAM般工作,只是铁电物质极化的方向(而不是磁化方向)决定了电流容易穿隧与否,因此也可以储存信息。

以上3种铁电元件都是可以用电压就可以改变位元状态的field-driven元件,不是用电流来改变位元状态,没有焦耳热(Joule-heat)的产生,是设计元件的人偏好的元件工作方式。

它的永久储存可以达到10年之久,又有潜力以3D制程制造,有可能成为NAND Flash的竞争者。

至于速度,此次有论文指出改变极化方向的时间可以在ns以下达成。这虽然不是一个完整的写入循环(write cycle)时间,但是写入时间大致介于SRAM与DRAM之间是可以确定的,所以铁电元件也有机会与DRAM竞争。

此次会议所揭露的进展最令人振奋的应该是耐久性(endurance)的大跃进。一年以前的报告中铁电物质的耐久性大致与NAND Flash相仿,在104左右。此次报告此效能有极大的改善,特别是掺杂La的二氧化铪,其耐久性可达1010~1012之间,已经直逼DRAM的耐久性了。耐久性有好几个数量级的跃升是去年一年中最大的进展。

有比拟NAND Flash的密度、永久记忆时间,又有比DRAM快的写入速度、近似DRAM的耐久性,用来制造储存级存储器(SCM;Storage Class Memory)也是合理的想象。另外,因为铁电元件可以当FET,也可以当存储器,速度够快,密度又高,现在已浮现存储器计算(in-memory computing)的图象。过去可没有那一种新兴存储器容许这么多的想象空间。

当然,要制作一个存储器元件不是收集基础材料所有各种优异的性质即可,而是要将这些性质在取舍之后,在同一存储器阵列上同时显现,融入应用窗口之中。目前除了上述的制作稳定的正交晶相的问题之外,因为铁电物质接口电荷陷阱所造成的阀电压(threshold voltage)漂移等问题都还有待解决。还有一段路要走,但是结果令人期待。

另外值得一提的是这个议程中5篇文章有一篇来自于台湾,是半导体研发中心、工研院、清大、师大的合作。台湾在新兴存储器的前沿研发工作比较少见这么显著的结果(ReRAM、SOT MRAM也许是另外的例子),值得为之喝采!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。