技術發展預測

4.4.1 FLASH 技術趨勢分析

FLASH 依其技術可區分為程式碼(Code)儲存體或者資料(Data)儲存體。程式儲 存體的基本模式是在 FLASH 晶片中儲存一可執行之軟體程式，供微控制器以處理 Density

Small Erase Blocks

Code Storage

V V V - - - -

Data

Storage - - - V V V V 資料來源: Dataquest, 1999/12，工研院經資中心 ITIS 計畫, 2001/01

1. NOR FLASH (Code FLASH)技術發展趨勢

整個 FLASH 記憶體市場目前大多仍屬於程式碼儲存體。系統產能的控制方 法是選出適當的 FLASH 晶片密度，其密度是以二倍數成長，跟 DRAM 以四倍數 成長不同。程式碼儲存體的應用一般來說較著重在讀取速度，而另一個重要

的特徵是消除區塊(erase block)的組成，目前是以所謂的 boot block 最受 歡迎。Boot block 結構是由 Intel 所推行的，主要是用在嵌入式的應用，希 望能夠定期地更新存在 FLASH 晶片中的操作程式碼。Boot block 設計是屬非 對稱式的，不過目前新的 FLASH 晶片已逐漸轉變為對稱式結構，在其第一個 區塊(first big block)中擁有較小並且可鎖著(lockable)的區塊(blocks)，

通常是 64KB。 程式碼儲存體的另一項議題是掌上型電子裝置的低電壓操作，

例如數位手機。最近關於一般程式儲存體的一項發展是在 NOR 結構下使用多 層細胞元(MLC)的技術。這樣技術是由 SanDisk 為其最適大量儲存的

(mass-storage -optimized) NOR 結構所開發出來，不過它在某些情況下的寫 入速度低於 NAND 結構，所以對於數位相機這種密集寫入的應用來說會是個問 題；使用 MLC 技術可降低較高密度應用（如 Set Top Box）的成本。

2. NAND FLASH (Data FLASH) 技術發展趨勢

關於資料儲存體(Data FLASH)的部分，最重要就是降低每位元的價格，亦 即在固定密度下有較低的絕對價格，或者是固定價格下有更多的位元數。另 一個議題是寫入速度比讀取速度慢。目前 FLASH 晶片寫入與消除的最快速度 大約是每秒 2MB，比一個 DDR DRAM 還慢。但對大部分使用程式儲存體的 FLASH 應用來說，由於他們並不會經常更新在 FLASH 中儲存的內容，所以不構成問 題。但是對較新的資料儲存應用，例如數位相機，快速拍照時 FLASH 寫入的 速度就會受到限制。為了方便消費者使用，FLASH 多以記憶卡方式呈現，而且 由於使用者需要一個外型比 PCMCIA 更小的卡，所以針對這個問題遂引發許多 產業積極地投入，並創造出三種不同的標準：分別是 SanDisk 的 Compact FLASH 卡；Toshiba 及 Samsung 的 Smart Media 卡以及 SanDisk、Toshiba 以及 Panosonic 的 SD 卡。另外針對 Smart Media 推出的 Diamond Multimedia Rio.MP3 儲存媒介，SanDisk 是以 MultiMedia Card (MMC)回應，而 Sony 亦推 出其 Memory Stick 卡。MMC、SD 以及 Memory Stick 是屬於新一代的 FLASH

記憶卡。和過去的 FLASH 記憶卡—Smart Media 與 Compact FLASH 的不同在 於新卡具有版權保護管理機能，以及資料輸出入控制功能，所以具有 FLASH 記憶體製造能力的廠商未必有設計 FLASH 記憶卡的能力。

3. MLC (Multi-Level Cell) 技術

Intel 利用自行研發之 Strata 架構之 MLC 製作利用增加臨界電壓(Vt)來 區分同一儲存格(Cell)，但對 Vt 的控制能力要能精確掌握。

圖 13 MLC CELL 示意圖

資料來源：Intel, CSFB (2002.02)

如此，其優點就是容量可以倍增，成本可以有效降低（如下表）。對於一 些高容量的應用，如 PDA、SMART PHONE 等，皆具有很大的競爭力。

表 14 不同 FLASH 設計技術的 CELL 大小比較

資料來源：Intel, CSFB (2002.02)

1 bit/cell 2 bits/cell 4 bits/cell

NOR 1.00 0.62 0.38

DINOR 1.00 na na

NAND 0.62 0.35 na

AND 0.62 0.35 na

MirrorBit na 0.85 0.48

NROM na 0.75 0.42

但是 MLC 也有缺點，就是寫入時間較長。若需應用於快速存取的環境，就 必須外接較快速的 SRAM 或 DRAM。如此，間接的會增加成本。另外，Mitsubishi 的 DINOR 及 Hitachi 的 AND 則試圖在 NOR 的架構下發揮 NAND 的高容量特色

4. 單細胞儲存兩位元之 PHINES 技術

NROM 技術是由以色列公司 Saifun 於 1999 年提出。其原件結構乃利用在 閘極下方堆疊三層絕緣材料，分別為 Tunnel Oxide, Nitride, Gate Oxide。

其中 Nitride 具有高深電子陷阱密度(High Deep-level Trap Density SONOS)，能抓住電子並達成儲存電荷的目的。NROM 利用通道熱電子將電子注 入通道邊緣完成寫入動作，此時電晶體處於高臨界電壓狀態，再利用價帶至 價帶熱電洞將電洞注入通道邊緣完成抹除動作，此時電晶體處於低臨界電壓 狀態。NROM 可以儲存兩個位元，其讀取方式為逆向讀取法(Reverse Read)當 欲讀取右邊位元時，則將左邊電極加高至約 1.6V，使得左邊位元產生的能障 (Barrier)被拉低，如此就可以透過適當電壓將右邊位元讀出，再透過逆向讀 取法以便可以讀出二個位元。

5. 單細胞儲存兩位元之 PHINES 技術

根據 2003 半導體工業年鑑的資料，PHINES 為（Programming by Hot Hole Injection Nitride Electron Storage）的縮寫。旺宏電子於 2002 年提出並 發表在 IEDM 上，其元件結構和 NROM 完全一樣但操作的方法不同。PHINES 是 利用通道 FN 穿隧法將電子注入氮化矽完成抹除動作此時電晶體處於高臨界電 壓狀態，再利用價帶至價帶熱電洞將電洞注入通道邊緣完成寫入動作，此時 電晶體處於低臨界電壓狀態。讀取資料時則採用和 NROM 相同的逆向讀取法以 便可以讀出二個位元。

6. MRAM(Magnetic RAM)和 FRAM(Ferro-electric RAM)的興起

近來，隨著新興技術的興起，許多半導體大廠皆投入新技術的研發中，MRAM 和 FRAM 就是兩個極具潛力的新技術。在價格比較上，預期 MRAM 在 2006 年單 位 Bit 之價格與 FLASH 相同；而 FRAM 雖較 MRAM 早推出，唯單位 Bit 之價格

仍高於 FLASH；唯二者之價格都有逐快速下降之趨勢。MRAM 預測於 2006 年採 用率將高達 30%，FRAM 為 13%。

表 15 各種設計技術單位 Bit 之價格比較

資料來源：Web-Feet Research (2001.10)

4.4.2 半導體製造先進製程技術的發展

台灣半導體業者持續研發 12 吋、0.13 微米以下、銅製程、SiGe、Low-K 等先進製程技術，在未來台灣半導體產業中，扮演愈來愈重要的角色，尤其 在 FLASH 產業上更形明顯。唯有透過先進製程技術的開發，才能在成本取得 優勢，因而獲取高單價產品的訂單。由台積電、聯電和其他國際大廠持續不 斷在新進製程技術的投資與發表，即可看出技術領先對半導體業的重要。12 吋轉入 8 吋晶圓，最簡單的計算方式是其表面積所獲得的蝕刻晶片比 8 吋足 足多了 2.5 倍，而成本也可省下 20%左右，因此雖然一座 12 吋晶圓廠造價 30 億美元計算，再加上其他投入之資金，包括：先進製程研發、營運、人力、

廠務、原物料、資金調度所需要的費用等，所帶來的沉重營運壓力，但若成 功在 12 吋晶圓上量產 0.13 微米以下製程 IC、平均成本將會持續下降，強化 FLASH 廠商未來的競爭力。