鐵電記憶體的新篇章

鐵電記憶體(Ferroelectric RAM；FeRAM)在半導體產業存在的時間可能比目前大部份從業人員的工作期間都要長。以前管理記憶體銷售時，聽到有一家公司一個記憶體元件可以賣到幾百美元，心實艷羨之。後來知道公司是Ramtron，產品是FeRAM。貴的原因是產量少，但對於抗電磁幅射(radiation hard)的應用卻不得不用。Ramtron於2015賣給Cypress，Infineon於今年6月計劃收購Cypress，這家素以FeRAM見稱的公司終於隱沒在大公司的結構之中，但FeRAM的故事尚未完結。

鐵電效應類似鐵磁(ferromagnetic)效應，只是前者是物質具有電偶極(electric dipole)，後者是磁偶極(magnetic dipole)，二者都是在居禮溫度(Curie temperature)下會產生自發性的電、磁秩序，而且在施加外場時可以改變偶極的方向。由於偶極的方向可以操控，又是永久的性質，因此就合適被考慮為非易失性的記憶體材料。它使用的機制有點類似NAND，NAND是用ONO (Oxide-Nitride-Oxide)夾層中Nitride上電荷的有無、多少改變電晶體的閾值，從而記錄、閱讀所儲存的資訊。鐵電材料的電偶極也能影響電晶體的閾值，用鐵電材料替代NAND中ONO層，會有類似的機制、相近的結構。

以前FeRAM的鐵電材料為PZT (PbZrTi；鈣鈦礦相鋯鈦酸鉛系)，化學結構複雜。在製程上還另有兩個挑戰：一是不容易保形(conformal)薄膜沈積；一是介電常數高達300，在電晶體上的應用異常吃力。其實PZT除了鐵電性質外，還有壓電性質(piezoelectric)，亦即在外加電場下，晶格會有明顯的收縮/伸張。FeRAM需要施加電場來改變電偶極的方向，這也會造成鐵電材料晶格收縮，對於界面的完整性，這可不妙。因為這些挑戰，FeRAM以前終未進入主流的記憶體應用。

新的鐵電材料是 （二氧化鉿），這可不是橫空出世的，在高介電質(high-k dielectric)電晶體、DRAM等已被經常使用，它的介電常數是SiO2的4~6倍，半導體產業製造早已習於它的存在。兼之近年來二維材料性質研究蓬勃發展，HfO2薄膜被發現有一個相具有鐵電性質，這樣的性質對於第一原理計算不算困難，計算出HfO2的能帶以及電荷分佈即可知其鐵電性。

HfO2的化學結構簡單，薄膜沈積也容易保形，而且植入矽後有助於形成斜方晶格(orthorhombic)，這是HfO2鐵電相所需的晶格結構。它的居禮溫度可以高達470°K，在室溫下運作不成問題。

IMEC已完成HfO2於二維製程的FeRAM原型測試，寫入時間在100ns階秩，較DRAM慢，但顯然較NAND快很多。寫入電壓為4V，亦較NAND低很多。但是很不幸的，HfO2亦具有不錯的壓電性質—好到足以用於能源產業應用，但是這對於元件的可靠性可是個大問題－晶格經常性的伸縮遲早要把元件給毀了的！FeRAM的寫入耐性(endurance)只有104，約略與NAND相若。

最引起我注意的性質是它可以3D製造。FeRAM與NAND的工作原理雷同，結構也可以相似。兼之HfO2的保形薄膜沈積性質良好，可以垂直長薄膜，所以3D的製程挑戰不大。基本上，就是用4nm的HfO2替代NAND中20nm的ONO薄膜即成。

至於應用，由於速度與耐久性不如DRAM，更可能的應用是SCM(storage class memory)。另外，對於以NVM為基礎的神經形態晶片(neuromorphic chip)應用，它也顯然滿足高容量、低功耗、永久記憶、快速寫入的要求。如果發展成功了，它的競爭對手主要會是NAND和PCRAM！