臺大研究成果系列報導–電資學院：利用高速恢復操作 提升非揮發性鐵電記憶體之耐久度及可靠度研究

邁入大數據與人工智慧應用的時代，記憶體於先進製程整合與記憶體內運算成為提升運算效能的關鍵。二氧化鉿(HfO2)鐵電記憶體(ferroelectric memory)相較於其他新興非揮發性記憶體，於製程相容性、讀寫速度與低功耗等元件效能表現上更具有競爭力。然而，記憶體操作次數耐久度(endurance)成為鐵電記憶體元件可靠度上必須克服的瓶頸。近年來，透過電壓操作的設計，藉由恢復效應(recovery)可使鐵電電容(ferroelectric capacitor)元件大幅提升其耐久度，但對於鐵電場效電晶體(ferroelectric field-effect transistor, FeFET)的相關可靠度評估與提升，缺乏完整的機制探討，同時受到長時間恢復操作導致時間損耗(time loss)、記憶視窗浮動(memory window (MW) fluctuation)和記憶視窗性能降低(MW degradation)等問題所困擾。

由臺大電機工程學系電子工程學研究所胡璧合副教授所領導的研究團隊針對鐵電場效電晶體記憶體，首次提出超高速最佳化恢復操作，有效提升耐久度，從製程優化、恢復操作機制探討、實施恢復操作最佳時機與周邊電路設計等不同面向，提出完整全面的解決方式，提升鐵電元件於可靠度上的表現，並探討其背後缺陷相關的物理機制，提供鐵電記憶體於可靠度優化工程的指引方針。元件製程方面，透過氨電漿(NH3 plasma)處裡，降低熱製程的缺陷產生，使介面品質優化，以提升元件效能的表現與可靠度。記憶體操作上，於元件疲勞(fatigue)的不同階段進行恢復操作，並分析其最佳時機點，來達到穩定的記憶視窗(MW)表現與降低記憶視窗浮動。於周邊電路的整合上，以電流感測放大器的設計，來達到自我偵測記憶體疲勞功能的系統，使恢復操作於實際應用層面更加方便與自動化。透過鐵電元件於正處於疲勞階段(during fatigue)進行恢復操作，最終可達到近乎零損失(0.02%)的記憶視窗遞減、極低的恢復操作所致的時間損耗(5×10-5 %)，並提升元件耐久度達100倍以上。相關研究成果發表於半導體領域國際頂尖會議2023 IEDM，並獲選為Top-Ranked Student Paper，研究成果改善鐵電記憶體的操作穩定性和耐久性，降低功率消耗，有助於提升能量效率並發展記憶體內運算的相關應用。