國研院半導體中心x旺宏電子 合作開發新型高密度、高頻寬3DDRAM
▲圖左起：旺宏電子電子材料與元件整合處李峰旻部經理、旺宏電子前瞻技術實驗室謝光宇資深處長、國研院蔡宏營院長、國研院半導體中心侯拓宏主任、國研院半導體中心楊智超研究員、國研院半導體中心林昆霖副主任。(圖／國研院提供）
【勁報記者羅蔚舟/竹科報導】
AI人工智慧產品已廣泛使用在各行各業的不同情境，其中負責儲存資料的隨機存取記憶體（Random Access Memory, RAM）元件，在AI晶片中扮演著至關重要的角色。國科會轄下國家實驗研究院台灣半導體研究中心（簡稱國研院半導體中心）與臺灣記憶體製造大廠旺宏電子公司合作，成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」（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。
▲國研院蔡宏營院長致詞。(圖／國研院提供）
國研院半導體中心透過長期產學合作機制，協助產學研團隊進行前瞻半導體技術開發，與國際發展趨勢接軌，並將合作成果轉化為培育國內碩博士級高階研究人力的服務平台。旺宏電子作為全球的積體電路指標性廠商，亦持續投入產學合作，深耕臺灣半導體人才培育。此次雙方合作，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台與培育人才機制，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。
▲國研院半導體中心楊智超研究員簡報。(圖／國研院提供）
█進入AI時代 記憶體角色越發重要
記憶體在AI時代越發重要，因為它直接影響到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，為了尋求突破，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為立體停車塔，如此便能在相同的面積上大幅提升記憶體密度。其中，簡稱DRAM（Dynamic Random-Access Memory）的動態隨機存取記憶體，因為具備讀寫速度快、高耐久和低成本的特點，而成為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，成為目前全世界各研發單位及記憶體大廠的主軸研發方向。
▲旺宏電子前瞻技術實驗室謝光宇資深處長分享合作心得。(圖／國研院提供）
█無電容新型設計 大幅縮小元件尺寸
HBM中DRAM的基本單位是一個電晶體加一個電容所組成，以電晶體作為開關，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。
▲國研院半導體中心與旺宏電子合作，成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」（3D DRAM）。(圖／國研院提供）
█結合雙方專利技術 力求建立世界領先地位
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」損壞下層已經製作好的半導體元件，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。國研院半導體中心的「積層型3D晶片製程服務平台」，歷年來已開發出多項低溫製造技術，近五年（2020年至今）協助台灣學研界發表過高達83篇以上的IEDM、VLSI等國際指標性會議論文。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記憶體製造。
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。
為了迎接未來AI人工智慧科技變革的契機與挑戰，配合國家的「晶片驅動臺灣產業創新方案」，國研院半導體中心將持續投入前瞻半導體製程技術的研發，並透過長年建立的產學合作機制及訓練服務經驗，接軌業界實務研發需求，建立埃米（angstorm）世代先進半導體元件、材料、電路技術研發平台，培育高階研究人力，讓國內半導體設計與製造人才養成能更進一步貼近產業發展需求。