全球存儲器產(chǎn)業(yè)技術(shù)趨勢

　　1. DRAM

　　DRAM單元和電路結構已成為經(jīng)典，目前看不到替代技術(shù)的苗頭。DRAM核心技術(shù)在于高質(zhì)量電容的優(yōu)化(密度與漏電)，工藝與設計結合是DRAM制勝的關(guān)鍵，因此DRAM市場(chǎng)主要是IDM公司的天下。未來(lái)，復雜結構上的高質(zhì)量High-k、與FinFET結合3-D Cell等是技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　從DRAM產(chǎn)品來(lái)看，三星、海力士、爾必達、美光和南亞均已切換到主流DDR3產(chǎn)品線(xiàn)，而臺灣廠(chǎng)商多以Niche Market(即低次代)產(chǎn)品為主。

　　從工藝平臺角度來(lái)看，在40納米工藝平臺上，爾必達被點(diǎn)名40納米良率不高 ，而海力士40納米工藝平臺更出現設計問(wèn)題，美光的合作伙伴南亞科與華亞的50納米制程良率問(wèn)題也未解決。因此，在相當長(cháng)一段時(shí)間內，主流工藝仍為5xnm工藝平臺。而原奇夢(mèng)達BWL(埋藏字線(xiàn))工藝依靠獨特工藝優(yōu)勢，芯片面積和功耗優(yōu)勢明顯，目前65nm BWL工藝平臺仍具備一定競爭力，自2010年9月份以來(lái)，奇夢(mèng)達46nm BWL的工藝平臺開(kāi)始在臺灣華邦晶圓廠(chǎng)導入，目前已開(kāi)始新工藝DRAM產(chǎn)品的試產(chǎn)，良率表現良好，預計年底實(shí)現量產(chǎn)。

　　2. SRAM

　　SRAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點(diǎn)，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內存可以設計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，且功耗較大。SRAM主要用于二級高速緩存(Level2 Cache)。

　　從設計和制造技術(shù)的角度看，SRAM作為存儲器的特點(diǎn)不突出，倒更象一個(gè)高速I(mǎi)C;面臨的技術(shù)挑戰也與IC一樣，即納米尺度下的功耗問(wèn)題及工藝波動(dòng)引起的不確定性問(wèn)題。對于SRAM來(lái)說(shuō)，功耗、速度的權衡(Trade-off)是最重要的。未來(lái)，與“宿主”一起開(kāi)發(fā)嵌入IP設計技術(shù)是介入SRAM領(lǐng)域很好的途徑。

　　3. Flash

　　多值是Flash進(jìn)一步挖掘密度潛力的一個(gè)重要途徑，目前的主流產(chǎn)品是2bit的，將來(lái)還可能發(fā)展成為3、 4bit。另外，CTM(轉制)存儲器開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用，將在未來(lái)2-3年內成為Flash的主流結構，并主導NVM市場(chǎng)10年左右。

　　但是，傳統浮柵結構面臨等比例縮小極限和互感電容的問(wèn)題，無(wú)法應用到40nm工藝以下。Flash器件的物理本質(zhì)決定了它一定早于Moore定律壽終正寢，其固有的寫(xiě)入速度慢(ms級)、擦除電壓高(10V左右)和擦寫(xiě)次數受限(106)等問(wèn)題無(wú)法解決，Flash面臨工藝和物理限制，因此，急需發(fā)展新型非易失存儲技術(shù)。

　　4. 新型存儲器

　　存儲器技術(shù)是一種不斷進(jìn)步的技術(shù)，隨著(zhù)各種專(zhuān)門(mén)應用不斷提出新的要求，新的存儲器技術(shù)也層出不窮，每一種新技術(shù)的出現都會(huì )使某種現存的技術(shù)走進(jìn)歷史，因為開(kāi)發(fā)新技術(shù)的初衷就是為了消除或減弱某種特定存儲器產(chǎn)品的不足之處。

　　未來(lái)新型存儲器主要包括相變存儲器、鐵電存儲器、磁阻存儲器以及阻變存儲器等。

　　(1) 相變存儲器(PCM)

　　它是新一代非易失性存儲器技術(shù)。它是一種利用材料中的可逆相態(tài)變化來(lái)存儲信息的非易失性存儲器。PCM兼有NOR flash ，NAND flash和 RAM或EEPROM相關(guān)的屬性。

　　PCM的優(yōu)點(diǎn)可歸結為以下幾個(gè)方面。1)如同RAM或EEPROM，PCM可變的最小單元是一位。閃存技術(shù)在改變儲存的信息時(shí)要求有一步單獨的擦除步驟。而在一位可變的存儲器中存儲的信息在改變時(shí)無(wú)需單獨的擦除步驟，可直接由1變?yōu)?或由0變?yōu)?。2)PCM如NOR閃存與NAND閃存一樣是非揮發(fā)性的存儲器。早期Intel進(jìn)行的兆比特PCM存儲陣列能夠保存大量數據，該實(shí)驗結果表明PCM具有良好的非揮發(fā)性。3)如同RAM和NOR閃存，PCM技術(shù)具有隨機存儲速度快的特點(diǎn)。這使得存儲器中的代碼可以直接執行，無(wú)需中間拷貝到RAM。PCM讀取反應時(shí)間與最小單元一比特的NOR閃存相當，而它的帶寬可以媲美DRAM。相對的，NAND閃存因隨機存儲時(shí)間長(cháng)達幾十微秒，無(wú)法完成代碼的直接執行。4)PCM能夠達到如同NAND的寫(xiě)入速度，但是PCM的反應時(shí)間更短，且無(wú)需單獨的擦除步驟。NOR閃存具有穩定的寫(xiě)入速度，但是擦除時(shí)間較長(cháng)。PCM同RAM一樣無(wú)需單獨擦除步驟，但是寫(xiě)入速度(帶寬和反應時(shí)間)不及RAM。隨著(zhù)PCM技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲單元縮減，PCM將不斷被完善。5)PCM可以不斷縮小體型，而NOR和NAND存儲器的結構導致存儲器很難縮小體型。PCM集其它各類(lèi)型存儲器的優(yōu)點(diǎn)于一身，如果在高端系統使用低延時(shí)PCM技術(shù)，有望大大提升系統性能。

　　(2)鐵電存儲器(FeRAM)

　　它是利用鐵電晶體的電滯回特性，來(lái)存儲數據的一種新型存儲器， FRAM 記憶體不需要定時(shí)刷新，掉電后數據立即保存，它速度很快，且不容易寫(xiě)壞。目前鐵電存儲器的兩大先驅是Ramtron和Symetrix公司，這兩家公司的許可權購買(mǎi)方包括各大重要的半導體制造商，如富士通，海力士，IBM，英飛凌，Oki，松下，Raytheon，Rohm，三星，意法半導體，德州儀器以及東芝等。已有多款商業(yè)產(chǎn)品出現。目前鐵電存儲產(chǎn)品主要集中在傳感器，RFID控制器等需要非揮發(fā)存儲，而且難以提供Flash所需要的高壓的應用環(huán)境。

　　鐵電存儲器的優(yōu)點(diǎn)在于非揮發(fā)存儲，功耗低，單位存儲單元面積小，讀取速度快，不需要高電壓操作。但是缺點(diǎn)在于：1)鐵磁材料損害硅基底，因此在鐵磁層和硅之間必須加入一個(gè)鉑隔離層。因為鉑幾乎不與其他材料反應，因此非常難于蝕刻。更加激進(jìn)的工藝更會(huì )加重這種情形。2)因為鐵電材料會(huì )污染CMOS工藝線(xiàn)，因此鐵電存儲器普遍采用前端CMOS電路和后端存儲單元分開(kāi)生產(chǎn)的模式，提高了成本而且難以采用最新工藝來(lái)生產(chǎn)鐵電存儲器。

　　(3)磁阻存儲器 (MRAM)

　　磁阻內存的存儲原理則完全不使用電容，它采用兩塊納米級鐵磁體，在界面上用一個(gè)非磁金屬層或絕緣層來(lái)夾持一個(gè)金屬導體的結構。通過(guò)改變兩塊鐵磁體的方向，下面的導體的磁致電阻就會(huì )發(fā)生變化。電阻一旦變大，通過(guò)它的電流就會(huì )變小，反之亦然。目前的MRAM采用一種稱(chēng)為自旋扭矩轉換(spin torque transfer STT)的新技術(shù)，利用了放大的隧道效應。

　　與鐵電存儲器一樣，磁阻存儲器也具備SRAM一樣的速度，接近DRAM的存儲密度，而且具備非揮發(fā)特性，但同樣的與CMOS工藝的不兼容性導致目前難以在最新工藝平臺上開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

　　(4)RRAM(阻變存儲器)

　　RRAM通常采用金屬—絕緣介質(zhì)—金屬(MIM)的三明治結構，通過(guò)絕緣介質(zhì)的電阻轉變進(jìn)行工作。RRAM是國際上最近興起的新型存儲器，其中過(guò)渡金屬氧化物RRAM在近兩年內得到國際重要大公司同時(shí)力推，包括三星、SHARP、IBM、NEC等。

　　在RRAM的電阻轉變材料方面。2005 年三星制備了交叉陣列的50nm技術(shù)的阻變存儲陣列，并且具有較小的工作電流和改善的轉變電壓分布; 2007 年富士通提出Ti 摻雜NiO 組成的1T1R 型阻變存儲單元，速度可達5ns，電流小于100uA ;三星2007 年也報道了采用Ti 摻雜NiO 組成的雙層1D1R 型結構8×8 陣列來(lái)演示RRAM 高密度集成;在2009 年的IEDM 會(huì )議上，臺灣工研院報道了采用臺積電(TSMC)0.18 標準工藝成功制備了存儲密度為1-Kb 的RRAM 陣列電路，采用的1T1R 型存儲單元尺寸為30×30nm2，成品率達到100%，可在40ns 寬脈沖工作模式下轉變106 次以上，且保持特性可達10年等良好的非易失性存儲特性 ;2010年日本SHARP報道了基于CMOS工藝的容量為128Kb的RRAM樣品 ; 2010年ISSCC上美國的Unity Semiconductor報道了90nm工藝制造的64Mb測試芯片，但是未報道單元存儲特性?？傮w來(lái)看，以上報道的研究成果均為試驗芯片，研究進(jìn)展也主要集中在材料、單元和關(guān)鍵工藝的研究和小規模演示電路的水平。

　　由于目前DRAM和flash的技術(shù)成熟程度和規模，即使往下發(fā)展技術(shù)上有很多挑戰，大約五到十年內很難有新的技術(shù)可以替代，在某些特殊領(lǐng)域，也許有新的存儲器類(lèi)型可能勝出。從目前的結果看，最有可能仍然是RRAM,因為該技術(shù)具有和現有的CMOS工藝的良好的兼容性，易于等比縮小以及低功耗等性能。

　　表一 新型存儲器與閃存性能比較