铁电元件的快速进展：储存级存储器与存储器中计算

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。为什麽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)其他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、界面物质、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)也是合理的想像。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)的图像。过去可没有那一种新兴存储器容许这麽多的想像空间。

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，因为铁电物质界面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麽显着的结果(ReRAM、SOT MRAM也许是另外的例子)，值得为之喝采！