下世代記憶體產業的王牌－自旋磁性記憶體

本文由 美光科技 委託，泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗？本來想上樓到房間拿個東西，進到房間之後卻忘了上樓的原因，還完全想不起來；到超巿想著要買三四樣東西回家，最後只記得其中兩樣，結果還把重要的一樣給漏了；手機 Line 群組裡發的訊息，看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況，是不是覺得很懊惱：明明才想好要幹嘛，才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了？吼呦！我根本是金魚腦袋嘛！記憶力到底是怎麼回事啊？要是能擁有更好的記憶力就好了！

金魚的記憶才不只 7 秒！

忘東忘西，我是金魚腦？！無辜地的金魚躺著也中槍！被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累，老是被拖下水，被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤，金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了！魚的記憶只有 7 秒嗎？

根據研究顯示，魚類的記憶可以保持一到三個月，某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味，甚至記憶力可以維持到好幾年，相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後，可以很快學會如何走迷宮，根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西，注意力分散也會降低學習效率，而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來，斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事？

為什麼魚會有記憶？為什麼人會有記憶？記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎？這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程，外界的訊息經由我們的感覺受器（個體感官）接收到此訊息刺激形成神經電位後，被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊，最終會在我們的前額葉進行處理，如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式，前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」，而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」？只要透過反覆背誦、重覆操作等練習，我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了！

比如當我們在接聽客戶電話時，對方報出電話號碼、交辦待辦事項，從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理，整個大腦記憶組織海馬迴區的運作，如果用電腦儲存區來類比，「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM，能有效且短暫的儲存資訊，而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程，可以得出記憶與認知、注意力有關，甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習，並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高，但當日常生活和工作上，需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜，並且需要被快速、大量地提取使用時，那就不只是記憶力的問題，而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了！

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減，這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊！

美光推出高規格新一代快閃記憶體，滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代，誰能解決消費者最大的儲存困擾，並滿足最快的資料存取速度，就能佔有這塊前景看好的市場！

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步！除了推出 232 層 3D NAND 外，業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT，在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM，並預計明年於台灣量產喔！ 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash，能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示，美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺，涵蓋諸多層面創新，像是使用最新六平面技術，讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場，能多層垂直堆疊記憶體顆粒，解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制；如同一個收納達人，能在最小的空間裡，收納最多的東西。

藉由提高密度，縮小封裝尺寸，美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小，就能把資料盡收其中。此外，美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s，搭配每個平面數條獨立字元線，好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道，能緩解雍塞，減少讀寫壽命間的衝突，提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片，讓大腦與虛擬世界溝通，屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前，我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備，搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

1. https://pansci.asia/archives/101764
2. 短期記憶與機制
3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
4. 注意力不集中？「利他能」真能提神變聰明嗎？

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源，記憶內容也不會消失，屬於非揮發性記憶體，且與 DRAM 的隨機存取類似，可讀取、擦除、寫入內容。不過，快閃記憶體的動作較慢，無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

圖 4－11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間，有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時，因為周圍是由氧化膜（SiO₂）構成的絕緣體，所以電荷（電子）不會跑到其他地方。即使切斷電源，記憶體內的資訊也不會消失，為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時，儲存的是「0」；無電荷時，儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子，來記錄或保存資訊。

圖 4－12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V，並對控制閘極施加正電壓。

於是，Si 基板內的電子就會穿過氧化膜，於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議，不過氧化膜相當薄，厚度只有約數 nm，所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此，Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時，懸浮閘極不會蓄積電子，所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊，也就是消除懸浮電極蓄積的電子時，需讓控制電極電壓為 0V，並對源極、汲極、基板施加正電壓，如圖 4－12(b) 所示。這麼一來，懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜，移動到電壓較高的基板一側。於是，原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

另一方面，當我們想要讀取資訊時，只要在控制電極施加一定的正電壓，便可透過從源極流向汲極的電流，讀取儲存單元內的資訊（圖 4－13）。

若懸浮閘極內有蓄積電子（「0」的狀態），這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓，使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子（「1」的狀態），閘極電壓就會直接影響到基板，與 MOSFET 的情況一樣，故下方會有電流通過。所以由電流的差異，就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷（圖 4－13 的「0」狀態），要是對控制閘極施加的電壓過高，源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說，懸浮電荷量不同時，使電晶體開始產生電流的閾值電壓（V_th，參考第 89 頁）也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

由前面的說明可以知道，像圖 4－14(a) 這樣的單一儲存單元，只能記錄 1 個位元，可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過，如果閾值電壓可任意控制，就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量，從滿電荷到無電荷分成 4 個等級，如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來，1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣，V_th01＞V_th00＞V_th10＞V_th11，所以讀取資訊時，可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC（Multi Level Cell）。另一方面，只有 2 種狀態的單元稱為 SLC（Single Level Cell）。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 V_th 分成更多區間，還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊，進而提升容量。不過，MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難，MOSFET 對干擾現象又特別敏感，所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外，快閃記憶體在記錄、消除資訊時，需使用 10V 之類相對較高的電壓，電子才能突破穿隧氧化膜。因此，反覆讀寫會造成氧化膜劣化，最後使儲存單元無法保留電子。也就是說，快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面，快閃記憶體與 DRAM 不同，不使用電容器，所以1個晶片可搭載的儲存單元較多，較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

快閃記憶體與 DRAM 一樣，都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種（圖 4－15）。

圖 4－16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外，還有「源極線」存在，且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近，較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例，讀取單元內的數值時，會在對應的字元線施加讀取用電壓，然後透過位元線讀取資訊。另一方面，消除或寫入資訊時，會對位元線施加寫入用電壓，字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜，所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值，不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之，可以隨機存取儲存單元。

另一方面，NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4－17 所示。

NAND 型的結構中，同一條字元線串聯起許多儲存單元，稱為 1「頁」（page），多條字元線有許多頁，稱為 1 個「區塊」（block）。

圖 4－18 中，1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵，那就是同一條位元線上，各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時，剖面圖如下。

基板上，1 個電晶體的源極，與相鄰電晶體的汲極共用同一個n^＋區域，所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間，就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下，1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小，所以讀取速度比較慢。另外，因為 1 個儲存單元比較小，所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少，使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊（含有許多頁）為單位進行擦除，以 1 頁為單位進行寫入。

因此，要更改 1 頁的內容時，必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方，然後刪去整個區塊的資料，然後再把區塊資料複製回來，同時把要更改的內容寫進去。

也就是說，即使只是要改寫 1 位元的內容，也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料，所以被取了「快閃」這個名字。

不過，寫入資料時是一次寫入一整頁資料，所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型，會發現 NOR 型的優點是讀取較快，資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置，對讀取的需求大於寫入，便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大，寫入較慢，但這些裝置幾乎不會進行寫入動作，所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而，快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置，常需改寫儲存單元內的資料。此時，NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。

鐵電性（ferroelectricity）材料是製造次世代非揮發性（non-volatile）記憶體的基礎，而記憶體的密度極限取決於鐵電性究竟能在多小的尺度下存在。最近美國科學家研究了碲化鍺（GeTe）與鋇鈦氧化物（BaTiO3）內鐵電形變的分佈情形，證實低至數奈米的大小仍可見鐵電性存在。根據此結果，次世代非揮發性記憶體每平方英寸的儲存容量可望高達數兆位元。

鐵磁（ferromagnetic）材料具有永久磁偶極矩，可藉由外加磁場使其轉動。相對地，鐵電材料具有永久電偶極矩，可利用電場控制極矩方向，這個特性讓科學家得以將數位電訊號儲存在鐵電薄膜中，因此開拓了一個新的元件應用舞台。

這項由勞倫斯柏克萊國家實驗室與加州大學柏克萊分的Paul Alivisatos與Ramamoorthy Ramesh領導的團隊所完成的研究，目的是探討穩定鐵電排列的最小尺寸極限，以及在此極限下所呈現的形式。先前的研究認為隨著尺度變小，造成鐵電性的原子位移會完全消失或變亂，或者以渦流態排列的形變出現。此團隊的研究結果卻顯示在單一疇區，中局部原子位移大致仍保持線性排列，因此仍有淨電極化存在。換言之，有用的鐵電性質（包含極化開關與壓電特性）在只有幾奈米的尺度下依然維持存在。

該團隊分析了碲化鍺與鋇鈦氧化物奈米微晶內的鐵電有序。前者是鐵電半導體，後者則為典型的鐵電氧化物。他們先以電子顯微鏡直接觀察個別粒子中與鐵電性有關的結構形變，接著對整體粒子進行原子對函數分佈分析（atomic pair distribution function analysis）以求得這些形變間的關連性，然後再以電子全像術（electron holography）直接拍攝此鐵電極化，並測量了單一奈米微晶的壓電滯留曲線（piezoelectric hysterisis）。

研究結果顯示，由鐵電奈米微晶製作的非揮發記憶體的資料儲存密度將可能高達每英寸數兆位元。此外，此材料未來亦可應用於奈米機電系統（NEMS）中，作為壓電致動器及傳感器（transducer）等。該團隊目前想要探討理論預測的渦流極化態是否能穩定存在這些奈米微晶粒子中。詳見Nature Materials｜DOI:10.1038/nmat3371。

譯者:孫士傑（高雄大學應用物理系）
責任編輯:蔡雅芝

資料來源：Nanocrystals go ferroelectric. NanoTech [Aug 30, 2012]

轉載自 奈米科學網