鐵電元件的快速進展：儲存級記憶體與記憶體中計算

去年底甫開完的國際電子元件會議 (2019 IEDM；International Electron Device Meeting)計有39個小組，除了第一小組是總會(plenary section)外，個別領域第一個小組是STT MRAM，STT MRAM已經是現在進行式了。另外還有幾個小組的標題特別吸引我，分別是神經型態晶片(neuromorphic chips)、量子計算、第一原理計算(ab initio calculation)開發新材料等。許多是才剛變成為半導體產業新焦點的，譬如量子計算現在也變成一個單獨的主題議程，去年的Semicon Taiwan也有量子計算的單獨新議程。這些新議程的出現指向產業界的研發新動向。

鐵電元件也是今年變成單獨新議程；Sec 15: Memory Technology-Ferroelectric。鐵電記憶體以前並不是沒有被討論過，產品存在的時間更長達30年以上。以前受限於所用鐵電物質特性的限制，應用只拘於利基市場。近年來的進展主要是新的鐵電物質二氧化鉿(HfO2)的發現。

二氧化鉿是半導體界相當熟悉的材料，28nm以下被普遍用於高介電值材料(high k dielectric)，單只是這點就很吸引人，因為用慣的材料放在新元件不容易出大亂子。為什麼二氧化鉿以前沒被發現有鐵電性質？因為二氧化鉿必須摻雜(doped)其他元素後並且在特殊的晶相(crystal phase)才會顯示所要的鐵電性質。

試過的摻雜物包括Si、Y、Sr、La、Ge、N等，它的晶相包括單斜相(monoclinic)、四方相(tetragonal)和正交相(orthorhombic)三種，其中單斜相能量最低，但是只有正交相有所需要的鐵電性質。如何以適當的摻雜物及摻雜比例、介面物質、退火程序使二氧化鉿形成穩定的鐵電物質，目前還是研究課題。但以二氧化鉿為材料的鐵電元件已顯示極大的潛力。

二氧化鉿的鐵電元件可以有三種：FeFET、FeRAM與FeTJ。FeFET的結構與NAND Flash相似，把NAND Flash中的floating gate替代成二氧化鉿就成，下面再多加一層金屬。因為本身結構也是場效電晶體，所以FeFET做永久記憶體、電晶體都成。但工作電壓只需4V，比NAND Flash低多了。它的記憶位元內容由鐵電物質的極化(polarization)方向決定，而極化方向可以由閘極施加的電壓決定。鐵電物質的極化方向是永久性的，所以當記憶體也是永久性記憶體。又因為結構與NAND Flash相似，所以也可以做成3D結構，密度可以很高。

FeRAM的結構與DRAM類似，也是1T1C—一個電晶體、一個電容構成一個記憶體位元，只是電容中的介電質改為二氧化鉿。這樣形成的電容因為二氧化鉿的永久性極化而毋需如DRAM般時時重新寫入更新(refresh)。

FeTJ (Ferroelectric Tunnel Junction)則是像MRAM般工作，只是鐵電物質極化的方向(而不是磁化方向)決定了電流容易穿隧與否，因此也可以儲存資訊。

以上3種鐵電元件都是可以用電壓就可以改變位元狀態的field-driven元件，不是用電流來改變位元狀態，沒有焦耳熱(Joule-heat)的產生，是設計元件的人偏好的元件工作方式。

它的永久儲存可以達到10年之久，又有潛力以3D製程製造，有可能成為NAND Flash的競爭者。

至於速度，此次有論文指出改變極化方向的時間可以在ns以下達成。這雖然不是一個完整的寫入循環(write cycle)時間，但是寫入時間大致介於SRAM與DRAM之間是可以確定的，所以鐵電元件也有機會與DRAM競爭。

此次會議所揭露的進展最令人振奮的應該是耐久性(endurance)的大躍進。一年以前的報告中鐵電物質的耐久性大致與NAND Flash相仿，在104左右。此次報告此效能有極大的改善，特別是摻雜La的二氧化鉿，其耐久性可達1010~1012之間，已經直逼DRAM的耐久性了。耐久性有好幾個數量級的躍升是去年一年中最大的進展。

有比擬NAND Flash的密度、永久記憶時間，又有比DRAM快的寫入速度、近似DRAM的耐久性，用來製造儲存級記憶體(SCM；Storage Class Memory)也是合理的想像。另外，因為鐵電元件可以當FET，也可以當記憶體，速度夠快，密度又高，現在已浮現記憶體計算(in-memory computing)的圖像。過去可沒有那一種新興記憶體容許這麼多的想像空間。

當然，要製作一個記憶體元件不是收集基礎材料所有各種優異的性質即可，而是要將這些性質在取捨之後，在同一記憶體陣列上同時顯現，融入應用窗口之中。目前除了上述的製作穩定的正交晶相的問題之外，因為鐵電物質介面電荷陷阱所造成的閥電壓(threshold voltage)漂移等問題都還有待解決。還有一段路要走，但是結果令人期待。

另外值得一提的是這個議程中5篇文章有一篇來自於台灣，是半導體研發中心、工研院、清大、師大的合作。台灣在新興記憶體的前沿研發工作比較少見這麼顯著的結果(ReRAM、SOT MRAM也許是另外的例子)，值得為之喝采！