在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，中國臺灣地區(qū)可以算得上是舉足輕重。無論是第一大芯片代工廠臺積電，還是全球排名第四的聯(lián)發(fā)科，又或者是長期坐穩(wěn)世界封測第一的大廠日月光，中國臺灣的半導(dǎo)體實(shí)力一直都非常強(qiáng)勢。BAjesmc

臺灣半導(dǎo)體發(fā)展能有如今的成績，離不開一個機(jī)構(gòu)——臺灣工業(yè)技術(shù)研究院。這所1973年成立的研究院，極大的推動了臺灣工業(yè)發(fā)展。BAjesmc

到了目前，臺灣研究院仍然對于中國臺灣的發(fā)展具有極大的影響力，本文整理了臺灣工研院的最新半導(dǎo)體技術(shù)，也能一窺半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。BAjesmc

磁阻式隨機(jī)存取記憶體

隨著晶圓代工廠切入先進(jìn)、高效能微處理器，搭配的記憶體技術(shù)也要突破現(xiàn)有的記憶體能。磁阻隨機(jī)存取存儲器 (MRAM) 是一種非易失性存儲器技術(shù)，它依賴于兩個鐵磁層的（相對）磁化狀態(tài)來存儲二進(jìn)制信息。目前來說，磁性記憶體（MRAM)是最高效能的新一代記憶體技術(shù)，工研院已完成第二代STT MRAM以及最先進(jìn)的第三代SOT MRAM技術(shù)。BAjesmc

STT MRAM是通過自旋電流實(shí)現(xiàn)信息寫入的一種新型MARM，屬于MRAM的二代產(chǎn)品，解決了MRAM寫入信息存在的問題。其核心仍然是一個MTJ（磁性隧道結(jié)），由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成，它是通過自旋電流實(shí)現(xiàn)信息寫入的。目前，STT MRAM已經(jīng)從幾家代工廠（GlobalFoundries、英特爾、三星、臺積電和聯(lián)電）中脫穎而出，成為一種非常有吸引力的IP選擇。BAjesmc

比起STT MRAM來說，第三代SOT MRAM（自旋軌道轉(zhuǎn)矩MRAM）速度更快、密度更高、效率也更高。BAjesmc

工研院解釋，相較臺積電、三星等量產(chǎn)的第二代MRAM技術(shù)，SOT-MRAM為寫入電流不流經(jīng)元件磁性穿隧層結(jié)構(gòu)的方式運(yùn)作，避免現(xiàn)有MARM操作時，讀、寫電流均直接通過元器件對元件造成損害的情況。同時也具備更穩(wěn)定、更快速存取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。BAjesmc

工研院透露該技術(shù)已成功導(dǎo)入自有的試量產(chǎn)晶圓廠，在與廠商的合作方面，工研院不便透露與臺積電等廠商的合作，但已有超過十家半導(dǎo)體廠商進(jìn)行技術(shù)授權(quán)或合作，并且可以確定臺積電在發(fā)展新興記憶體中工研院會有所貢獻(xiàn)。BAjesmc

鐵電隨機(jī)存取記憶體（FRAM）

隨機(jī)存取記憶體技術(shù)中，鐵電記憶體的寫入能量是最有優(yōu)勢（<2 mJoule）， 不同于電阻式／相變化式／磁性元件都是讀取電阻類元件，鐵電元件是電容式元件，先天上擁有低漏電流的特性。BAjesmc

FRAM第一個優(yōu)點(diǎn)是可以跟隨總線速度（busspeed）寫入。其與EEPROM的最大不同便是FRAM在寫入后無須任何等待時間。而EEPROM則要等待幾毫秒（ms）才能寫進(jìn)下一筆資料。BAjesmc

其次，F(xiàn)RAM是幾乎可以無限次寫入并且具有超低功耗。EEPROM的慢速和高電流寫入使得它需要有高出FRAM存貯器2，500倍的能量去寫入每個字節(jié)。BAjesmc

目前工研院對于FRAM的研究有三個方面：BAjesmc

1.鐵電元件（FE-MIM）跟主流CMOS技術(shù)的結(jié)合即為鐵電隨機(jī)存取記憶體FRAM。BAjesmc

2.低電壓平面鐵電記憶體技術(shù)（2D-FRAM）。BAjesmc

3.高密度三維記憶體技術(shù)（3D-FRAM）。BAjesmc

工研院使用獨(dú)特量子穿隧效應(yīng)達(dá)到非揮發(fā)性儲存的效果，通過氧化鉻鋯鐵電穿隧接面，可使用比現(xiàn)有存儲器低上1000倍的極低電流運(yùn)作，并達(dá)到50納秒的快速存取效率與大于1000萬次操作的耐久性，此元件將來可用于實(shí)現(xiàn)如人腦中的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行正確且有效的AI運(yùn)算。BAjesmc

記憶體內(nèi)運(yùn)算

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由于對于電腦運(yùn)算速度的要求越來越高，記憶體內(nèi)運(yùn)算的市場也隨之?dāng)U大，在資料密集型應(yīng)用中，如機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等。為了克服傳統(tǒng)的馮·紐曼架構(gòu)的限制，記憶體內(nèi)運(yùn)算是目前追求的一種架構(gòu)。BAjesmc

目前來說，工研院高效能的CIM macro IP為國際領(lǐng)先，擁有30TOPs/w@4bit以及15TOPs/w@8bit。BAjesmc

基于低功耗高能效CIM核心，可以實(shí)現(xiàn)低功耗Always-ON AI語音應(yīng)用，并大幅延長待機(jī)使用。目前工研院已與部分廠商開始合作一些影像辨識及語音辨識的系統(tǒng)開發(fā)。工研院在記憶體的產(chǎn)業(yè)效益已達(dá)臺幣14億以上，其中RRAM技轉(zhuǎn)國際半導(dǎo)體均已量產(chǎn)，2020年產(chǎn)業(yè)效益預(yù)估可達(dá)8000萬，包含國內(nèi)外半導(dǎo)體大廠技術(shù)合作、專利技轉(zhuǎn)等。BAjesmc

晶圓級記憶體堆疊應(yīng)用服務(wù)

工研院研發(fā)「硅穿孔中介層整合技術(shù)」，用于動態(tài)隨機(jī)存取記憶體（Dynamic Random Access Memory；DRAM）兩層堆疊架構(gòu)，建立Oxide-to-Oxide晶圓級接合技術(shù)，以DRAM real wafer 驗(yàn)證，堆疊制程前后良率幾近相同。BAjesmc

并且通過Open short、Leakage、Function test，完成Top wafer 厚度減薄至20µm 之整合測試，成功驗(yàn)證其制程可行性。BAjesmc

異質(zhì)整合電路導(dǎo)通孔技術(shù)

3D IC 技術(shù)利用導(dǎo)通孔技術(shù)，在玻璃或是硅晶圓上透過垂直路徑導(dǎo)通上下芯片，藉由此技術(shù)能夠進(jìn)行異質(zhì)芯片之整合封裝，增加芯片堆疊密度、縮小封裝體積、加大頻寬、降低功耗與增進(jìn)產(chǎn)品效能。BAjesmc

異質(zhì)整合廣義而言，就是將兩種不同的芯片，例如記憶體+邏輯芯片、光電+電子元件等，透過封裝、3D堆疊等技術(shù)整合在一起。換句話說，將兩種不同制程、不同性質(zhì)等芯片整合在一起，都可稱為是異構(gòu)整合。BAjesmc

工研院已將不同方案整合在不同芯片上，如應(yīng)用晶背via last 硅導(dǎo)通孔制程整合技術(shù)（導(dǎo)通孔大小5μm，深度50μm）于SRAM與邏輯芯片的堆疊架構(gòu)上，提升60％ 以上的系統(tǒng)效能，減少70％ 以上的功率消耗，而via middle 硅導(dǎo)通孔技術(shù)則成功與記憶體廠商完成四層8 Gb 的DDR 3 記憶體堆疊芯片。在影像感測器應(yīng)用方面，整合了BSI CIS+ADC+ISP 三層芯片堆疊，大幅縮小封裝尺寸及提升效能。BAjesmc

下世代半導(dǎo)體檢測技術(shù)

目前先進(jìn)半導(dǎo)體制程已達(dá)7納米以下，制程薄膜厚度及關(guān)鍵尺寸越來越小，現(xiàn)有檢測技術(shù)面臨偵測極限。BAjesmc

工研院開發(fā)X光計(jì)量技術(shù)，藉由X光次納米級解析能力，發(fā)展長波長X 光反射技術(shù)，量測微區(qū)（~50 μm x 50 μm）超薄次納米膜厚度，最小膜厚可至1 nm；同時發(fā)展穿透式小角度X 光散射技術(shù)及訊號增強(qiáng)模組，用以線上量測7納米、5納米、3納米制程的關(guān)鍵尺寸。BAjesmc

制程中的關(guān)鍵缺陷粒子尺寸已至20 nm 以下，且數(shù)量濃度低于103 顆／mL，然而目前溶液中納米微粒量測技術(shù)存在能力斷層。工研院研發(fā)樣品導(dǎo)入系統(tǒng)及訊號增強(qiáng)模組，搭配溶液中微量金屬粒子量測分析技術(shù)－單粒子電感耦合電漿體質(zhì)譜法（spICP-MS），成功突破量測技術(shù)斷層，并將國際之spICP-MS 尺寸偵測極限下推至4nm，數(shù)量濃度偵測極限下推至40 顆／mL，可滿足下世代半導(dǎo)體檢測需求。BAjesmc

AI芯片開源平臺

工研院發(fā)展「AI 芯片開源平臺」解決方案，與IC 設(shè)計(jì)及半導(dǎo)體從業(yè)者結(jié)盟投入新興chiplet 芯片技術(shù)和AI 創(chuàng)新平臺之研發(fā)，推動AI 芯片水平整合產(chǎn)業(yè)合作模式，積極建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)系，掌握AI 產(chǎn)業(yè)化商機(jī)。BAjesmc

完成AI 架構(gòu)之靜態(tài)分析技術(shù)開發(fā)與優(yōu)化，并將AI 芯片系統(tǒng)模擬技術(shù)授權(quán)半導(dǎo)體大廠；開發(fā)AI 芯片架構(gòu)分析技術(shù)，授權(quán)指紋辨識大廠；建立AI 推論加速器ITRI DLA（Deep Learning Accelerator）開源硬體，提供硬體參考設(shè)計(jì)與工具給IC 設(shè)計(jì)業(yè)者。BAjesmc

創(chuàng)建開源AI 軟體編譯設(shè)計(jì)平臺，授權(quán)領(lǐng)導(dǎo)廠商新思科技，并與之?dāng)y手設(shè)立人工智慧芯片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室（AI Chip Design Lab），提供AI 芯片設(shè)計(jì)之基礎(chǔ)軟硬體資源，降低AI 芯片設(shè)計(jì)門檻，集結(jié)更多業(yè)者投入裝置端AI 芯片技術(shù)的開發(fā)。BAjesmc

氮化鎵高功率與高頻技術(shù)

對于需要在高操作頻率以及大輸出功率應(yīng)用環(huán)境下，半導(dǎo)體元件必須兼具高崩潰電壓（Breakdown voltage）與高飽和載子移動速率（Saturation Carrier Velocity）等特性。由于元件崩潰現(xiàn)象的產(chǎn)生的原因?yàn)檩d子受電場加速到足以觸發(fā)能隙間轟擊電離（Band-To-Band Impact Ionization）效應(yīng)所致，因此寬能隙半導(dǎo)體材料先天就具有達(dá)到高崩潰電壓元件的優(yōu)勢。BAjesmc

以氮化鎵材料作為基底的元件非常適合在高頻、高功率、抗輻射及高溫環(huán)境下的應(yīng)用。其實(shí)際應(yīng)用包括供5G通訊基地臺的高功率輸出放大器、軍用雷達(dá)，充電電池，和車用能源管理系統(tǒng)等。BAjesmc

工研院致力于發(fā)展GaN基底的高電子遷移率電晶體之核心磊晶技術(shù)，如：新型基板與緩沖層的開發(fā)；磊晶層的應(yīng)力與翹曲管理；常關(guān)型超薄的閘極成長設(shè)計(jì)。BAjesmc

臺工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長吳志毅表示，工研院已開發(fā)應(yīng)用于高頻通訊的氮化鎵半導(dǎo)體技術(shù)，并與相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行磊晶技術(shù)研究、開發(fā)操作頻率達(dá)320 GHz的高頻元件與100 GHz的功率放大器模塊等前瞻技術(shù)，希望加速臺灣地區(qū)下世代超高頻通訊關(guān)鍵技術(shù)自主化。BAjesmc

3D IC設(shè)計(jì)技術(shù)

工研院領(lǐng)先國內(nèi)投入3D IC研發(fā)，包括訂定三維芯片設(shè)計(jì)平臺的規(guī)格、研發(fā)測試介面與測試整合架構(gòu)、靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)、熱分析等設(shè)計(jì)流程及三維芯片下線驗(yàn)證，作為發(fā)展3D IC設(shè)計(jì)與制程技術(shù)之重要載具。工研院所開發(fā)邏輯與記憶體堆疊的三維芯片，也是全國第一個12吋晶圓90nm的3D IC。BAjesmc

從2011年12月，工研院與Intel共同合作研發(fā)，適用于3D IC的超快速可堆疊DRAM架構(gòu)技術(shù)，可應(yīng)用在行動手持裝置、百萬兆級與超大云端資料中心。從記憶體與處理器堆疊的角度切入，研發(fā)異質(zhì)整合的設(shè)計(jì)技術(shù)，包括發(fā)展自主的ThermalMeter整合熱分析系統(tǒng)，強(qiáng)化3D IC的熱分析并細(xì)致化其分析結(jié)果，補(bǔ)足EDA廠商的軟件不足；發(fā)展DRAM時序與電流評估工具（DArT）提供多組channel擺置結(jié)構(gòu)供選擇，以及探索最佳化DRAM Array架構(gòu)之高階建模技術(shù)。BAjesmc

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工研院與Intel宣布投入為期5年的3D IC合作計(jì)劃BAjesmc