未來(lái)的非易失存儲器(NVM)探索

2004年8月A版

6月22日，全球部分主要電子媒體聚集到英飛凌(Infineon)科技公司的存儲器生產(chǎn)基地—德國德累斯頓市，聆聽(tīng)了存儲器產(chǎn)品事業(yè)部首席技術(shù)官(CTO)W. Beinvogl博士的講演，了解了這家世界主要的存儲器公司在非易失存儲器(NVM)方面所取得的一些研究成果。
盡管DRAM、Flash(閃存)等存儲器發(fā)展如日中天，但世界存儲器市場(chǎng)的主要供應商—英飛凌早已意識到現有的存儲器都有一定的技術(shù)局限，因此為了滿(mǎn)足未來(lái)更高性能、更低成本需求，需要創(chuàng )新性地開(kāi)發(fā)一些新技術(shù)/產(chǎn)品(圖1)。

圖1  開(kāi)發(fā)新興存儲器的原因

圖2  現有與新興的存儲器
非易失閃存的特點(diǎn)是在斷電時(shí)不會(huì )丟失內容。目前，業(yè)界正處于研發(fā)階段、又具有應用潛力的NVM有磁性 RAM，導體橋接(Conductive Bridging, CB)RAM，相移(PC)RAM(Intel研發(fā)，也稱(chēng)OUM)，有機RAM(ORAM，聚合物存儲器)等，特點(diǎn)如表1所示。
新興的存儲器的性能令人眩目，但誰(shuí)將在未來(lái)的市場(chǎng)上勝出充滿(mǎn)變數(圖2)；不過(guò)從性能指標上看，英飛凌等公司認為MRAM與FeRAM較有優(yōu)勢，投入研發(fā)的力度也較大；同時(shí)，英飛凌在現有的主流存儲器—閃存上也在不斷進(jìn)行技術(shù)突破。
 
16Mbit MRAM原型
請想象一下這樣的情景：計算機即使在電源故障時(shí)也不會(huì )丟失數據；筆記本電腦電池可以使用幾天時(shí)間而不必充電；手持電腦和手機配備有海量存儲器；而PC只需要按一下電源開(kāi)關(guān)，就可以從昨天關(guān)機的狀態(tài)立即開(kāi)始。只要幾年時(shí)間，這一切都會(huì )變?yōu)楝F實(shí)。 
目前正在大力研究的MRAM技術(shù)等新型存儲器技術(shù)為實(shí)現這一切提供了必要條件。英飛凌宣布與IBM已于6月中旬，展示了目前為止最先進(jìn)的此類(lèi)革命性計算機存儲器原型：全球第一款16Mbit磁阻RAM(MRAM, Magnetoresistive RAM)原型。 
MRAM存儲器速度非?？?，從而支持超快速數據存取。作為對比，英飛凌的16Mbit MRAM芯片速度比應用于USB閃盤(pán)、手持計算機和數碼相機中的非易失性閃存的速度快約1000倍。進(jìn)一步，MRAM存儲器單元的可寫(xiě)入次數比閃存要高100萬(wàn)倍。
16Mbit芯片(1600萬(wàn)存儲單元)這樣的高存儲容量之所以能夠實(shí)現是因為采用了小至僅1.4mm2的存儲單元。作為對比，5000個(gè)存儲單元僅有人頭發(fā)絲的橫截面那么大。
因此Beinvogl博士自豪地宣布：“全球首款16 Mbit MRAM存儲器原型的推出標志著(zhù)這一新技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一項重大突破?！?nbsp;
MRAM芯片利用材料的磁化特性來(lái)存儲信息，而不是利用電荷。MRAM通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉方向來(lái)達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數據存儲能力。英飛凌所使用的磁阻元件是磁性隧道結(MTJ)結構，此結構有上、下兩層磁性材料，中間夾著(zhù)一層非磁性的絕緣層。MTJ元件是由磁場(chǎng)調制上、下兩層磁性層的磁化方向成為反平行(圖3左)或平行(圖3右)來(lái)建立兩個(gè)穩定狀態(tài)。在反平行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)此元件的電子會(huì )受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；反之顯示較低的阻值。MTJ元件通過(guò)內部金屬導線(xiàn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度來(lái)改變不同的阻值狀態(tài)，并以此記錄0、1信號。
自從2000年以來(lái)，英飛凌公司就與IBM合作開(kāi)發(fā)MRAM芯片。最近，這一技術(shù)被轉移給兩家公司設在法國的合資公司Altis。
 
FeRAM：采用垂直電容器的小型高度可擴展的三維FeRAM單元
在FeRAM(鐵電隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器)中，利用鐵電薄膜的剩余極化來(lái)存儲信息。與MRAM一樣，FeRAM也是一種新型存儲技術(shù)。FeRAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括與SRAM類(lèi)似的快速讀寫(xiě)性能以及更低的功耗。這使得該技術(shù)非常適用于游戲機、手機、移動(dòng)產(chǎn)品和芯片卡等應用。 
與FRAM或閃存相比，目前的FeRAM單元尺寸仍然較大，因此開(kāi)發(fā)小型的具有競爭力的FeRAM單元成為關(guān)鍵挑戰。利用討論最廣泛的平面型FeRAM單元概念，只能達到約10F2 的單元結構大小，其中F(毫微微)是工藝的最小設計工藝尺寸。此外，平面型FeRAM單元的工藝伸縮性有限。 
為克服這些缺陷，英飛凌和東芝公司在今年6月夏威夷的VLSI技術(shù)研討會(huì )上提出了一種采用新型三維垂直電容結構的創(chuàng )新鏈式FeRAM單元概念(圖4)。這種創(chuàng )新的存儲單元具有高度的工藝縮微能力，并支持小至4F2的存儲單元結構尺寸。 
在研究人員提出的垂直電容器FeRAM存儲單元中，存儲單元包括一個(gè)晶體管和一個(gè)鐵電電容器，兩者并聯(lián)。晶體管的觸點(diǎn)與電容器的垂直電極在相鄰單元間共享，因此使單元結構更為緊湊。在本次研討會(huì )上，研究人員給出了這一創(chuàng )新單元結構的第一個(gè)有前途的結果。
 
用于代碼和數據閃存產(chǎn)品的110nm NROM
筆記本電腦、數碼相機、MP3播放器和PDA等便攜式產(chǎn)品的持續發(fā)展要求在閃存卡、CompactFlash卡或USB設備等可移動(dòng)存儲器上存儲大量數據。針對此類(lèi)大眾存儲應用的非易失性存儲器是成本驅動(dòng)的，也就是說(shuō)，它們需要每bit成本最低的解決方案。由賽芬(Saifun)半導體公司開(kāi)發(fā)的NROM技術(shù)可在一個(gè)存儲單元內存儲兩個(gè)不同的數據位，因此對于成本敏感的產(chǎn)品非常具有吸引力。Infineon的閃存部門(mén)最近推出的Twin-Flash產(chǎn)品就基于Saifun這一2位/單元的架構(圖5)。NROM單元的原理是在ONO(氧-氮-氧)柵極介電材料中的氮層中局部捕獲電荷。

圖3   MRAM原理


圖4 FeRAM的垂直電容概念
為在110nm工藝下保持小的位結構和較低的工藝復雜性，需要進(jìn)行概念性的創(chuàng )新。英飛凌提出的新單元結構受益于高級NMOS晶體管的工藝可縮放概念。今年6月，在VLSI技術(shù)研討會(huì )上，英飛凌提出的新型NROM設計方法在110nm設計規則下位尺寸僅0.043mm2/bit。這一概念性設計采用主流CMOS型單元器件和一個(gè)虛擬地陳列架構。新的技術(shù)可同時(shí)用于裸片密度達2Gbit的代碼閃存和文件存儲閃存產(chǎn)品。
 
在16Gb閃存中探索使FinFET 亞40nm 氧-氮-氧晶體管
浮柵閃存晶體管在縮微至深亞100nm范圍工藝尺寸時(shí)面臨嚴重的挑戰，主要由于為了可靠的電荷保持必須采用厚隧道氧化層。與此相比，電荷捕獲存儲器器件需要的電壓小，具有更良好的工藝縮微性質(zhì)。 
英飛凌公司企業(yè)研究部提出了一種適用于超高集成度閃存器件的基于鰭式場(chǎng)效晶體管(Fin Field-Effect Transistor, FinFET)的電荷捕獲型存儲器技術(shù)。這些新的存儲器晶體管利用三個(gè)柵極門(mén)來(lái)控制靜電隧道，從而可保證其工藝伸縮能力。電荷存儲在鄰近一個(gè)類(lèi)似魚(yú)鰭狀柵極區域的氮捕獲層中(圖6)。與傳統浮柵單元相比，隧道氧化層具有很好的工藝縮微特性，因為捕獲層對于單個(gè)泄漏路徑不敏感。這樣，英飛凌研究人員獲得了具有30~40nm超短柵極的器件，在NAND型陣列中可支持16Gbit/裸片(die)的密度，與目前的器件相比，密度提高了約10倍。進(jìn)一步，這一技術(shù)并不需要任何新的材料，因此與成熟的CMOS技術(shù)完全兼容。


圖5 TwinFlash原理

圖6  三柵電荷捕獲器件

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