记忆体技术主导电子产品发展

根据半导体产业协会的估算，内嵌式记忆体所需的面积在2005年将会占整体晶片的面积的70%，甚至在2011年比重会继续提高至90%。所以未来记忆体的技术将会是影响制作成本最关键的因素之一。

另外一个重点是关于省电化的需求，由于目前最主要的内嵌式记忆体仍然以挥发性的SRAM为主，此类记忆体一旦在电源关闭后所储存的内容也会跟着消失，因此必须一直保持电源开启，耗电量因而无法有效的降低。

根据日本NEC的分析资料指出，如果把SRAM改以新的非挥发性记忆体来取代，那么待机的时间至少可以延长为10倍。这是因为非挥发性记忆体可以在电源关闭之后仍然保有所储存的讯号内容，所以系统在进入待机状态时可以将大部分的电源关闭，这一点是使用现有的SRAM记忆体无法做到的。

除了省电的需求外，系统也被要求能往更小型化、简便化发展，并借此缩减系统设计所需的零组件数目，也就是朝向单晶片设计（System On a Chip，SOC）的目标，如此一来便可达到降低成本的目的。因此在发展新的记忆体技术时必须考虑到这一点，而其中关键就是新的记忆体技术制造流程是否能与CMOS制程匹配。

此外，新的记忆体必须能同时兼顾到快速操作的功能。未来的可携式电子产品如果还是像目前的个人电脑，需要数分钟时间来开机的话，将难被消费者所接受，因此发展及时开启系统（Instant On System）相当重要，为了能达到此一目的，非挥发性与速度是最重要的因素。

新世代记忆体技术简介

嵌入式快闪记忆体近年来的成长相当快速，但快闪记忆体所面临的问题是存取速度太慢，而且可存取的次数仅有106次，与SRAM、DRAM的1015次相去甚远，因此快闪记忆体在未来的发展上受到相当的限制。除了快闪记忆体外，目前有多种技术正在开发之中，包括FeRAM、MRAM、OUM，以下将逐一介绍。

FRAM(铁电记忆体)

铁电记忆体是新一代记忆体中最早导入量产的，其原理主要是利用铁电晶体中自由原子的位置来分辨资料储存的状态。铁电记忆体因为同时兼具SRAM、DRAM以及Flash等记忆体的优点，因此受到相当大的期待。

铁电记忆体单元的基本架构有两种：第一种为类似DRAM的1T1C架构，此结构因为是属于后段制程整合，因此制程上较容易搭配，不过缺点是利用此架构所组成的记忆体只能透过破坏性的程序来读出讯号，因此操作的速度会比较慢。

另一种架构为MFSFET（Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor），其原理是利用铁电薄膜取代电晶体中的闸极绝缘层，经由控制铁电薄膜的极化方向，可以调变流通电流的大小，并借此纪录不同的讯号。因为只有一个电晶体的简单结构，所以非常适合高密度记忆体的应用，再者此架构是利用非破坏性的读出程序，操作速度上具有更大的优势。不过可惜的是此架构是属于前段制程整合，制程的稳定度截至目前为止仍然没有明显的突破。

铁电记忆体令人担心的另一点是材料疲乏的问题， 若是无法克服此问题，在操作寿命上将很难与其他新兴记忆体竞争。

《图一　铁电记忆体记忆原理说明》

MRAM（磁电阻记忆体）

磁电阻记忆体一种非挥发性的随机存取记忆体，资讯储存的方式与硬碟机中所运用的原理是类似的，都是利用磁性材料的特性，纪录的核心是一种称为磁性穿隧接面（Magnetic Tunneling Junction）的元件。一般硬碟机是透过机械式的动作来存取讯号，所以速度较慢，而MRAM能与CMOS制程整合，因此可直接透过电路来存取纪录内容，速度可以相当快，约比SRAM稍慢，与DRAM相当。

目前大部分的厂商都是采取1T1R（一个电晶体搭配一个磁阻）的架构，因此晶片的集积度与DRAM的1T1C（一个电晶体搭配一个电容）是不相上下的。但是也有部分厂商是采取无串联电晶体的架构，此技术着眼于超高密度记忆体的开发，代价是判读讯号的时间必须拉长。

MRAM的可读写次数几乎可达无限次，远优于目前的快闪记忆体。不过MRAM技术目前所面临的问题是，纪录讯号时所需消耗的电流稍嫌过大，需要再进一步加以改善。

《图二　磁性记忆体基本架构（1T1R）》 资料来源：IBM

OUM（相变化记忆体）

另一个新兴的记忆体为相变化记忆体，此类记忆体的操作原理与光碟储存媒体非常的相似，都是利用所谓的硫族化合物（Ge、Sb、Te）作为记忆的核心，透过热能的转变，可使此类材料在结晶态与非晶态之间不停的转换。在光碟系统中是由雷射光来提供热能的来源，并藉由两种状态对于光的反射率不同来分辨所纪录的内容。而在相变化记忆体中主要是由电流，透过加热电极来提供状态改变所需要的热能。另外在讯号读出的方式上也与光碟系统截然不同，在记忆体操作上是利用两种状态的电流导通阻值不同来纪录“1”与“0”。

与铁电记忆体及磁电阻记忆体相比，相变化记忆体的读写速度稍慢，但是相变化记忆体的竞争优势在于记忆单元面积小，制作成本便宜。300OC）來改變材料的狀態，如何有效控制高溫的範圍，而不影響到非紀錄裝態的單元，以及如何處理熱量的消散等都是未來"由于相变化记忆体是利用在晶片内部产生高温（300OC）来改变材料的状态，如何有效控制高温的范围，而不影响到非纪录装态的单元，以及如何处理热量的消散等都是未来相当重要的课题。

《图三　相变化记忆体基本架构（1T1R）》

新世代记忆体目前研发进展

铁电记忆体

铁电记忆体最早是由美商Ramtron所开发出来，日本厂商看好此一技术的未来商机而大举投入，包括松下、富士通、NEC以及Toshiba在内，皆纷纷成立相关的研究计画，积极开发产品应用技术。另外韩国三星电子与美商德州仪器也相继加入铁电记忆体的研发行列。

目前市面上已经有Ramtron与三星电子所推出的64Kb产品，最近三星电子还特别针对可携式电子产品应用开发出4Mb与32Mb的铁电记忆体技术。德州仪器则是决定发展嵌入式的铁电记忆体技术来取代快闪记忆体的应用，并且声称已经利用CMOS制程完成64Mb产品雏型的开发。 Toshiba与Infineon则进行策略合作，并共同开发出32Mb的铁电记忆体。

磁电阻记忆体

目前磁电阻记忆体的技术进展仍以美国厂商较为领先。 Motorola已经在2003年完成4Mbit技术开发，据称也已经开始提供少量样品。 IBM投入磁电阻记忆体技术的开发已有相当长的时间，在去年（2003）VLSI会议中，首度展示以0.18m CMOS制程开发出来的128Kb MRAM，将磁电阻记忆体制程技术向前推进了一大步。此外，IBM与Infineon于2000年开始展开策略合作，同时在2003年宣布将授权法国Altis进行MRAM产品的量产技术。 IBM也预期在2005年可以推出256Mbit的产品。

日本厂商虽然在MRAM产品化技术落后于美国，不过最近有急起直追的迹象，NEC与Toshiba最近宣布将携手合作以量产下世代磁性记忆体为目标，预估投入的金额为100亿日圆。韩国三星电子凭借着在DRAM与Flash两大记忆体的成功经验，积极投入磁性记忆体技术的研发，希望能延续在记忆体技术的领先优势。三星电子在2002年IEDM会议上发表以0.24m CMOS制程成功开发出的64Kb MRAM。

《图四　Motorola 4M-bit MRAM》

相变化记忆体

相变化记忆体的研发阵容相对上规模是比较小，不过Intel是相变化记忆体技术最大的支持者，等于是为此技术强力背书。 Intel目前正与Ovonyx公司进行4Mb记忆体的技术开发计画，并期望能逐步取代原来擅长的快闪记忆体技术在行动通讯上的应用。另外，三星电子也提出将在2005年推出相关的产品。

新世代记忆体未来发展走向与期许

从整个趋势来看，轻薄短小、降低成本以及省电是系统设计追求的目标，但是现有的记忆体技术已经无法单纯地透过制程微缩的方法来满足上述的特性需求，事实上部分记忆体技术也正面临到物理极限而无法继续缩小面积，因此引进新的记忆体架构与新材料看来是大势所趋，也将会是下一波竞赛中的重要关键。

新一代的记忆体技术必须符合非挥发性、高性能、高记忆容量以及低耗电等特性才能满足在未来系统设计上需求。不过新的技术要能实际切入市场应用所面临的困难与挑战相当大，另外新技术种类众多以及技术研发投资庞大，都逐渐使得国际间的合纵联盟更加频繁。

不过如果只从目前的需求来思考，下一代记忆体的出路会受到很大的限制。一个很好的例子是现在非常流行的随身碟，这个成功的产品是在先有成熟的快闪记忆体技术之后才衍生而来的。所以对于铁电记忆体、磁电阻记忆体、相变化记忆体等下世代记忆体也可以有相同的期待，毕竟追求更完美的生活是推动技术进步的最大力量。 （作者任职于工研院电子所，MJKAO@itri.org.tw）

延 伸 阅 读

找寻梦幻记忆体 目前数位储存技术主要分成三种：磁式、光电式与半导体式，本文主要探讨的是半导体式的储存技术，并将范围锁定在新兴的非挥发性记忆体技术领域。 浅谈磁性记忆体技术原理与前景 新一代的磁性随机存取记忆体不仅​​拥有flash的非挥发特性，DRAM的高集积度以及SRAM的高速存取特性；同时MRAM还具有相当高的的读写次数寿命，几乎是兼具现有三大记忆体的优点，所以被称为下一代的梦幻记忆体。 记忆体产业的下一步？ MIC根据趋势看出，下一代记忆体应该包含非挥发、高密度、高性能与易于其他类型记忆体整合之特质。国际大厂正在透过记忆体制程开发、电路设计与强化应用技术开发前进。如此的模式，将会使得未来在不同架构与材料之下，产生不同记忆体的需求特质。 Ovonic Unified Memory支援独立型记忆体与嵌入型装置应用 本文讨论OUM（Ovonic Unified Memory）的发展状况，这种相位变化（Phrase-change）、非挥发性的半导体记忆体技术适合于VLSI独立型记忆体以及各种嵌入型产品的应用。

相关组织网站	Ramtron(FRAME) Fujitsu（FeRAM） IBM Almaden Research Center（MRAM） Motorola Physical Sciences Research Labs（MRAM） Ovonyx（OUM） STMicroelectronics(OUM)