imec展示首款3D電荷耦合元件 鎖定AI記憶體應用

比利時微電子研究中心（imec）在2026年IEEE國際記憶體研討會（IMW）上，發表了全球首款實現3D設計的電荷耦合元件（CCD）記憶體元件，該元件搭配氧化銦鎵鋅（IGZO）通道。這款3D CCD功能元件在由三條字元線組成的堆疊內進行穿鑿，形成多條垂直的記憶體區塊，作為相位閘極。

閘極之間的電荷遷移（用來組成位元）可以實現4MHz以上的傳輸速度。在3D NAND快閃記憶體結構內製造這種CCD元件的可行性不僅確保製造符合成本效益，還能達到超越動態隨機存取記憶體（DRAM）的超高位元密度。因此，區塊可定址的3D CCD元件成為具備AI應用潛力的開放式高速互連協定CXL Type 3緩衝記憶體，其設計目標是透過高頻寬CXL交換器來傳輸大容量的資料區塊到多顆處理器。

圖一 : （a）基於三條字元線設計的3D CCD結構示意圖包含底層閘極（BG）、中間閘極（CG）與頂層閘極（TG），以及底部的源極（S）與頂部的汲極（D）；（b）穿透電子顯微鏡（TEM）截面圖顯示這三層閘極的字元線間距為80奈米。

AI對記憶體的需求不斷增加，持續帶給DRAM記憶體技術嚴峻考驗，維持每位元成本的發展趨勢也越來越難。為此，記憶體產業探索更經濟高效的替代記憶體方案，為滿足AI特定的負載需求增添生力軍，與DRAM和基於DRAM的高頻寬記憶體（HBM）相輔相成。同時，新型記憶體介面興起，在使用主記憶體資源方面，可以達到比傳統雙倍資料速率（DDR）匯流排還高的效率。開放式高速互連協定CXL就是其中一例，該記憶體協定透過高頻寬CXL交換器來提供多顆處理器大容量的可用記憶體池。這些所謂的CXL Type 3緩衝記憶體規格有別於DRAM，為導入新型記憶體技術提供絕佳契機。

2024年，imec提出了利用氧化銦鎵鋅（IGZO）通道來設計3D CCD元件的概念—有望用來開發CXL Type 3緩衝記憶體應用，當時也在一款2D概念驗證元件展示了記憶體運作。imec儲存記憶體研究計畫主持人Maarten Rosmeulen表示：「這款CCD元件可以整合在3D NAND快閃記憶體串列架構內，展現用作緩衝記憶體的發展潛力，而這是實現可擴充高位元密度最具成本效益的方法，位元密度預計會遠超過DRAM極限。我們現在透過三條字元線組成的結構，首次展示一款3D功能元件，其垂直IGZO通道的尺寸可與3D NAND媲美，相當於記憶體區塊的直徑落在80-120奈米。」

在這款3D元件中，CCD暫存器或稱為串列全都整合到垂直對齊的插孔內，這些插孔透過一種借鏡3D NAND技術的打孔填充製程來貫穿該堆疊。橫向的字元線發揮閘極的功能，控制每個串列內的位元串。這些位元的基礎是電荷，可以透過脈衝電壓操作以串列的形式在閘極之間傳輸和儲存。

Maarten Rosmeulen補充說明：「在超過4MHz的傳輸速度下，我們成功維持該IGZO垂直通道的電荷轉移可靠度。測量結果顯示，每次轉移的電荷數量達到數千個，在實際的記憶體應用中，這樣的數量對單一位元甚至是多位元的資料儲存來說已經足夠。不同於以位元組為定址單位的DRAM，我們開發的3D CCD元件專為區塊級的資料存取設計，更適合用於現代的AI工作負載。這些研發成果搭配無上限的耐久性、持久的資料保留時間（透過IGZO通道材料來實現）與低電壓運作（因為記憶體本身以電荷為基礎來運作），進一步推動這項3D CCD技術邁向緩衝記憶體應用的發展。我們目前的研究專注在增加字元線的數量，並改良這款3D CCD緩衝記憶體的讀取階段。我們已準備好攜手產業夥伴來進一步開發這項3D CCD元件技術，並充分展現該技術的AI記憶體應用潛力。」