國研院半導體中心與旺宏合作開發新型3D動態隨機存取記憶體

國科會轄下國家實驗研究院臺灣半導體研究中心（簡稱國研院半導體中心）今日宣佈與記憶體制造大廠旺宏合作，開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」（3D DRAM），具有體積小（高密度）、高頻寬、能耗低、耐用度高等優勢，是全世界最早開發出此種新型3D DRAM的團隊之一。

國研院半導體中心表示，本次雙方合作，除證明國內研究於相關領域已躋身國際領先團隊外，也期望透過半導體中心世界領先的學研平臺與培育人才機制，協助臺灣高階半導體人才與未來主流技術接軌，深化臺灣半導體科技之研發量能。

國研院半導體中心指出，記憶體在AI時代越發重要，因爲它直接影響到AI晶片處理數據的速度、效率和可靠度，不論是AI訓練、穿戴式裝置、醫療電子、車用電子、智慧家電等，記憶體都扮演重要角色。傳統2D平面製作的記憶體已達密度上限，爲了尋求突破，記憶體廠商紛紛將研發焦點轉向3D堆疊記憶體，就像是把平面停車場改爲立體停車塔，如此便能在相同的面積上大幅提升記憶體密度。其中，DRAM因爲具備讀寫速度快、高耐久和低成本的特點，而成爲AI晶片中暫存記憶體的主流。

AI晶片需要進行極大量、極快速的資料運算，在現在的AI晶片整體架構中，是利用半導體封裝技術，將2D平面製作的DRAM層層堆疊及串連在一起，製作高頻寬記憶體（HBM，High Bandwidth Memory），然而記憶體的頻寬仍受到此封裝技術上的限制，加上現有的DRAM耗能也高，增加了AI晶片的總耗電量。因此，如何製造出更高頻寬（傳輸訊號更快）、更高密度（更大容量）且更低耗能的HBM，成爲目前全世界各研發單位及記憶體大廠的主軸研發方向。

HBM中DRAM的基本單位是一個電晶體加一個電容所組成，以電晶體作爲開關，對電容進行充電或放電，來記錄1或0。國研院半導體中心與旺宏電子合作開發的3D DRAM，不使用傳統記憶體中體積較大的電容，而以兩顆氧化銦鎵鋅（Indium Gallium Zinc Oxide, IGZO）電晶體串聯而成，可將0與1的訊號儲存在兩顆電晶體之間。這種無電容的新型結構設計，讓記憶體尺寸變得更小，因而在進行3D堆疊時能更緊密，也消除了電容造成讀寫速度慢及耗能高的缺點。

此外，由於使用新材料氧化銦鎵鋅製作電晶體，這是一種寬能隙半導體材料，可降低儲存訊號隨時間而流失的機率，進而延長記憶體的資料保存時間。相較於傳統的DRAM，保存時間可延長達數千至數萬倍以上，這代表耗電儲存與讀取資料的間隔時間也可以大幅拉長，因而大幅降低能耗。此外，這種新型記憶體的高耐久度亦得到實際驗證，是應用在AI人工智慧晶片的HBM記憶體首選。

要實現HBM記憶體的3D堆疊，最重要的是要避免加熱製作上層記憶體時，「熱」損壞下層已經制作好的半導體元件，尤其在縮小記憶體尺寸後，上下層之間的距離更近，更容易受到影響。

國研院半導體中心指出，該中心的「積層型3D晶片製程服務平臺」，歷年來已開發出多項低溫製造技術。此低溫製造技術極具應用潛力，能讓下層元件保持在低溫環境中，可應用於層層堆疊的HBM記憶體制造。

另一項技術重點是透過旺宏電子的Bit-Cost Scalable專利製程技術，先將許多層記憶體的電流通道做垂直堆疊，再利用一次性的蝕刻，將記憶體單元陣列製作出來，大幅減少了3D堆疊記憶體的製程步驟，能節省製作時間、降低成本。最後雙方合作成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」，可用於AI晶片中HBM記憶體。

目前全世界僅有數個頂尖研究團隊提出此種3D DRAM的雛形及結構，均仍在實驗階段，尚未進入量產，未來半導體中心與旺宏電子合作開發的新型3D DRAM若順利導入量產，將能在全世界建立起領先的地位。

國研院半導體中心與旺宏合作， 開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」，圖爲這項新型記憶體透過電子顯微鏡呈現的架構。圖／國研院半導體中心提供