国研院半导体中心与旺宏合作开发 新型3D DRAM

人工智能产品已广泛使用在各行各业的不同情境，其中负责存储数据的随机存取存储器（Random Access Memory；RAM）元件，在AI芯片中扮演着至关重要的角色。

国科会辖下国家实验研究院台湾半导体研究中心（简称国研院半导体中心）与台湾存储器制造大厂旺宏电子公司合作，成功开发出「新型高密度、高带宽3D动态随机存取存储器」（3D DRAM），具有体积小（高密度）、高带宽、能耗低、耐用度高等优势，是全世界最早开发出此种新型3D DRAM的团队之一。

国研院半导体中心透过长期产学合作机制，协助产学研团队进行前瞻半导体技术开发，与国际发展趋势接轨，并将合作成果转化为培育国内硕博士级高端研究人力的服务平台。旺宏电子作为全球的IC指标性厂商，亦持续投入产学合作，深耕台湾半导体人才培育。

本次双方合作，除证明国内研究于相关领域已跻身国际领先团队外，也期望透过半导体中心世界领先的学研平台与培育人才机制，协助台湾高端半导体人才与未来主流技术接轨，深化台湾半导体科技之研发量能。

进入AI时代  存储器角色越发重要

存储器在AI时代越发重要，因为它直接影响到AI芯片处理数据的速度、效率和可靠度，不论是AI训练、穿戴式装置、医疗电子、车用电子、智能家电等，存储器都扮演重要角色。

传统2D平面制作的存储器已达密度上限，为了寻求突破，存储器厂商纷纷将研发焦点转向3D堆叠存储器，就像是把平面停车场改为立体停车塔，如此便能在相同的面积上大幅提升存储器密度。

其中，简称DRAM（Dynamic Random-Access Memory）的动态随机存取存储器，因为具备读写速度快、高耐久和低成本的特点，而成为AI芯片中暂存存储器的主流。

AI芯片需要进行极大量、极快速的数据运算，在现在的AI芯片整体架构中，是利用半导体封装技术，将2D平面制作的DRAM层层堆叠及串连在一起，制作高带宽存储器HBM（High Bandwidth Memory），然而存储器的带宽仍受到此封装技术上的限制，加上现有的DRAM耗能也高，增加了AI芯片的总耗电量。

因此，如何制造出更高带宽（传输信号更快）、更高密度（更大容量）且更低耗能的HBM，成为目前全世界各研发单位及存储器大厂的主轴研发方向。

无电容新型设计  大幅缩小元件尺寸

HBM中DRAM的基本单位是一个晶体管加一个电容所组成，以晶体管作为开关，对电容进行充电或放电，来记录1或0。国研院半导体中心与旺宏电子合作开发的3D DRAM，不使用传统存储器中体积较大的电容，而以两颗氧化铟镓锌（Indium Gallium Zinc Oxide；IGZO）晶体管串联而成，可将0与1的信号存储在两颗晶体管之间。

这种无电容的新型结构设计，让存储器尺寸变得更小，因而在进行3D堆叠时能更紧密，也消除了电容造成读写速度慢及耗能高的缺点。

此外，由于使用新材料氧化铟镓锌制作晶体管，这是一种宽能隙半导体材料，可降低存储信号随时间而流失的机率，进而延长存储器的数据保存时间。

相较于传统的DRAM，保存时间可延长达数千至数万倍以上，这代表耗电存储与读取数据的间隔时间也可以大幅拉长，因而大幅降低能耗。这种新型存储器的高耐久度亦得到实际验证，是应用在人工智能芯片的HBM存储器首选。

结合双方专利技术  力求建立世界领先地位

要实现HBM存储器的3D堆叠，最重要的是要避免加热制作上层存储器时，「热」损坏下层已经制作好的半导体元件，尤其在缩小存储器尺寸后，上下层之间的距离更近，更容易受到影响。

国研院半导体中心的「积层型3D芯片制程服务平台」，历年来已开发出多项低温制造技术，近五年（2020年至今）协助台湾学研界发表过高达83篇以上的IEDM、VLSI等国际指标性会议论文。此低温制造技术极具应用潜力，能让下层元件保持在低温环境中，可应用于层层堆叠的HBM存储器制造。

另一项技术重点是透过旺宏电子的Bit-Cost Scalable专利制程技术，先将许多层存储器的电流通道做垂直堆叠，再利用一次性的蚀刻，将存储器单元阵列制作出来，大幅减少了3D堆叠存储器的制程步骤，能节省制作时间、降低成本。最后双方合作成功开发出「新型高密度、高带宽3D动态随机存取存储器」，可用于AI芯片中HBM存储器。

目前全世界仅有数个顶尖研究团队提出此种3D DRAM的雏形及结构，均仍在实验阶段，尚未进入量产，未来半导体中心与旺宏电子合作开发的新型3D DRAM若顺利导入量产，将能在全世界建立起领先的地位。

为了迎接未来人工智能科技变革的契机与挑战，配合国家的「芯片驱动台湾产业创新方案」，国研院半导体中心将持续投入前瞻半导体制程技术的研发，并透过长年建立的产学合作机制及训练服务经验，接轨业界实务研发需求，建立埃米（angstorm）时代先进半导体元件、材料、电路技术研发平台，培育高端研究人力，让国内半导体设计与制造人才养成能更进一步贴近产业发展需求。