記憶體技術主導電子產品發展

根據半導體產業協會的估算，內嵌式記憶體所需的面積在2005年將會佔整體晶片的面積的70%，甚至在2011年比重會繼續提高至90%。所以未來記憶體的技術將會是影響製作成本最關鍵的因素之一。

另外一個重點是關於省電化的需求，由於目前最主要的內嵌式記憶體仍然以揮發性的SRAM為主，此類記憶體一旦在電源關閉後所儲存的內容也會跟著消失，因此必須一直保持電源開啟，耗電量因而無法有效的降低。

根據日本NEC的分析資料指出，如果把SRAM改以新的非揮發性記憶體來取代，那麼待機的時間至少可以延長為10倍。這是因為非揮發性記憶體可以在電源關閉之後仍然保有所儲存的訊號內容，所以系統在進入待機狀態時可以將大部分的電源關閉，這一點是使用現有的SRAM記憶體無法做到的。

除了省電的需求外，系統也被要求能往更小型化、簡便化發展，並藉此縮減系統設計所需的零組件數目，也就是朝向單晶片設計（System On a Chip，SOC）的目標，如此一來便可達到降低成本的目的。因此在發展新的記憶體技術時必須考慮到這一點，而其中關鍵就是新的記憶體技術製造流程是否能與CMOS製程匹配。

此外，新的記憶體必須能同時兼顧到快速操作的功能。未來的可攜式電子產品如果還是像目前的個人電腦，需要數分鐘時間來開機的話，將難被消費者所接受，因此發展及時開啟系統（Instant On System）相當重要，為了能達到此一目的，非揮發性與速度是最重要的因素。

新世代記憶體技術簡介

嵌入式快閃記憶體近年來的成長相當快速，但快閃記憶體所面臨的問題是存取速度太慢，而且可存取的次數僅有106次，與SRAM、DRAM的1015次相去甚遠，因此快閃記憶體在未來的發展上受到相當的限制。除了快閃記憶體外，目前有多種技術正在開發之中，包括FeRAM、MRAM、OUM，以下將逐一介紹。

FeRAM（鐵電記憶體）

鐵電記憶體是新一代記憶體中最早導入量產的，其原理主要是利用鐵電晶體中自由原子的位置來分辨資料儲存的狀態。鐵電記憶體因為同時兼具SRAM、DRAM以及Flash等記憶體的優點，因此受到相當大的期待。

鐵電記憶體單元的基本架構有兩種：第一種為類似DRAM的1T1C架構，此結構因為是屬於後段製程整合，因此製程上較容易搭配，不過缺點是利用此架構所組成的記憶體只能透過破壞性的程序來讀出訊號，因此操作的速度會比較慢。

另一種架構為MFSFET（Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor），其原理是利用鐵電薄膜取代電晶體中的閘極絕緣層，經由控制鐵電薄膜的極化方向，可以調變流通電流的大小，並藉此紀錄不同的訊號。因為只有一個電晶體的簡單結構，所以非常適合高密度記憶體的應用，再者此架構是利用非破壞性的讀出程序，操作速度上具有更大的優勢。不過可惜的是此架構是屬於前段製程整合，製程的穩定度截至目前為止仍然沒有明顯的突破。

鐵電記憶體令人擔心的另一點是材料疲乏的問題， 若是無法克服此問題，在操作壽命上將很難與其他新興記憶體競爭。

《圖一　鐵電記憶體記憶原理說明》

MRAM（磁電阻記憶體）

磁電阻記憶體一種非揮發性的隨機存取記憶體，資訊儲存的方式與硬碟機中所運用的原理是類似的，都是利用磁性材料的特性，紀錄的核心是一種稱為磁性穿隧接面（Magnetic Tunneling Junction）的元件。一般硬碟機是透過機械式的動作來存取訊號，所以速度較慢，而MRAM能與CMOS製程整合，因此可直接透過電路來存取紀錄內容，速度可以相當快，約比SRAM稍慢，與DRAM相當。

目前大部分的廠商都是採取1T1R（一個電晶體搭配一個磁阻）的架構，因此晶片的集積度與DRAM的1T1C（一個電晶體搭配一個電容）是不相上下的。但是也有部分廠商是採取無串聯電晶體的架構，此技術著眼於超高密度記憶體的開發，代價是判讀訊號的時間必須拉長。

MRAM的可讀寫次數幾乎可達無限次，遠優於目前的快閃記憶體。不過MRAM技術目前所面臨的問題是，紀錄訊號時所需消耗的電流稍嫌過大，需要再進一步加以改善。

《圖二　磁性記憶體基本架構（1T1R）》 資料來源：IBM

OUM（相變化記憶體）

另一個新興的記憶體為相變化記憶體，此類記憶體的操作原理與光碟儲存媒體非常的相似，都是利用所謂的硫族化合物（Ge、Sb、Te）作為記憶的核心，透過熱能的轉變，可使此類材料在結晶態與非晶態之間不停的轉換。在光碟系統中是由雷射光來提供熱能的來源，並藉由兩種狀態對於光的反射率不同來分辨所紀錄的內容。而在相變化記憶體中主要是由電流，透過加熱電極來提供狀態改變所需要的熱能。另外在訊號讀出的方式上也與光碟系統截然不同，在記憶體操作上是利用兩種狀態的電流導通阻值不同來紀錄“1”與“0”。

與鐵電記憶體及磁電阻記憶體相比，相變化記憶體的讀寫速度稍慢，但是相變化記憶體的競爭優勢在於記憶單元面積小，製作成本便宜。由於相變化記憶體是利用在晶片內部產生高溫（>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相當重要的課題。

《圖三　相變化記憶體基本架構（1T1R）》

新世代記憶體目前研發進展

鐵電記憶體

鐵電記憶體最早是由美商Ramtron所開發出來，日本廠商看好此一技術的未來商機而大舉投入，包括松下、富士通、NEC以及Toshiba在內，皆紛紛成立相關的研究計畫，積極開發產品應用技術。另外韓國三星電子與美商德州儀器也相繼加入鐵電記憶體的研發行列。

目前市面上已經有Ramtron與三星電子所推出的64Kb產品，最近三星電子還特別針對可攜式電子產品應用開發出4Mb與32Mb的鐵電記憶體技術。德州儀器則是決定發展嵌入式的鐵電記憶體技術來取代快閃記憶體的應用，並且聲稱已經利用CMOS製程完成64Mb產品雛型的開發。Toshiba與Infineon則進行策略合作，並共同開發出32Mb的鐵電記憶體。

磁電阻記憶體

目前磁電阻記憶體的技術進展仍以美國廠商較為領先。Motorola已經在2003年完成4Mbit技術開發，據稱也已經開始提供少量樣品。IBM投入磁電阻記憶體技術的開發已有相當長的時間，在去年（2003）VLSI會議中，首度展示以0.18m CMOS製程開發出來的128Kb MRAM，將磁電阻記憶體製程技術向前推進了一大步。此外，IBM與Infineon於2000年開始展開策略合作，同時在2003年宣布將授權法國Altis進行MRAM產品的量產技術。IBM也預期在2005年可以推出256Mbit的產品。

日本廠商雖然在MRAM產品化技術落後於美國，不過最近有急起直追的跡象，NEC與Toshiba最近宣佈將攜手合作以量產下世代磁性記憶體為目標，預估投入的金額為100億日圓。韓國三星電子憑藉著在DRAM與Flash兩大記憶體的成功經驗，積極投入磁性記憶體技術的研發，希望能延續在記憶體技術的領先優勢。三星電子在2002年IEDM會議上發表以0.24m CMOS製程成功開發出的64Kb MRAM。

《圖四　Motorola 4M-bit MRAM》

相變化記憶體

相變化記憶體的研發陣容相對上規模是比較小，不過Intel是相變化記憶體技術最大的支持者，等於是為此技術強力背書。Intel目前正與Ovonyx公司進行4Mb記憶體的技術開發計畫，並期望能逐步取代原來擅長的快閃記憶體技術在行動通訊上的應用。另外，三星電子也提出將在2005年推出相關的產品。

新世代記憶體未來發展走向與期許

從整個趨勢來看，輕薄短小、降低成本以及省電是系統設計追求的目標，但是現有的記憶體技術已經無法單純地透過製程微縮的方法來滿足上述的特性需求，事實上部分記憶體技術也正面臨到物理極限而無法繼續縮小面積，因此引進新的記憶體架構與新材料看來是大勢所趨，也將會是下一波競賽中的重要關鍵。

新一代的記憶體技術必須符合非揮發性、高性能、高記憶容量以及低耗電等特性才能滿足在未來系統設計上需求。不過新的技術要能實際切入市場應用所面臨的困難與挑戰相當大，另外新技術種類眾多以及技術研發投資龐大，都逐漸使得國際間的合縱聯盟更加頻繁。

不過如果只從目前的需求來思考，下一代記憶體的出路會受到很大的限制。一個很好的例子是現在非常流行的隨身碟，這個成功的產品是在先有成熟的快閃記憶體技術之後才衍生而來的。所以對於鐵電記憶體、磁電阻記憶體、相變化記憶體等下世代記憶體也可以有相同的期待，畢竟追求更完美的生活是推動技術進步的最大力量。（作者任職於工研院電子所，MJKAO@itri.org.tw）

延 伸 閱 讀

找尋夢幻記憶體 目前數位儲存技術主要分成三種：磁式、光電式與半導體式，本文主要探討的是半導體式的儲存技術，並將範圍鎖定在新興的非揮發性記憶體技術領域。 淺談磁性記憶體技術原理與前景 新一代的磁性隨機存取記憶體不僅擁有flash的非揮發特性，DRAM的高集積度以及SRAM的高速存取特性；同時MRAM還具有相當高的的讀寫次數壽命，幾乎是兼具現有三大記憶體的優點，所以被稱為下一代的夢幻記憶體。 記憶體產業的下一步？ MIC根據趨勢看出，下一代記憶體應該包含非揮發、高密度、高性能與易於其他類型記憶體整合之特質。國際大廠正在透過記憶體製程開發、電路設計與強化應用技術開發前進。如此的模式，將會使得未來在不同架構與材料之下，產生不同記憶體的需求特質。 Ovonic Unified Memory支援獨立型記憶體與嵌入型裝置應用 本文討論OUM（Ovonic Unified Memory）的發展狀況，這種相位變化（Phrase-change）、非揮發性的半導體記憶體技術適合於VLSI獨立型記憶體以及各種嵌入型產品的應用。

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