全球存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)技術(shù)趨勢(shì)

　　1. DRAM

　　DRAM單元和電路結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)結(jié)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，復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的高質(zhì)量High-k、與FinFET結(jié)合3-D Cell等是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

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

　　從工藝平臺(tái)角度來看，在40納米工藝平臺(tái)上，爾必達(dá)被點(diǎn)名40納米良率不高 ，而海力士40納米工藝平臺(tái)更出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，美光的合作伙伴南亞科與華亞的50納米制程良率問題也未解決。因此，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，主流工藝仍為5xnm工藝平臺(tái)。而原奇夢(mèng)達(dá)BWL(埋藏字線)工藝依靠獨(dú)特工藝優(yōu)勢(shì)，芯片面積和功耗優(yōu)勢(shì)明顯，目前65nm BWL工藝平臺(tái)仍具備一定競(jìng)爭(zhēng)力，自2010年9月份以來，奇夢(mèng)達(dá)46nm BWL的工藝平臺(tái)開始在臺(tái)灣華邦晶圓廠導(dǎo)入，目前已開始新工藝DRAM產(chǎn)品的試產(chǎn)，良率表現(xiàn)良好，預(yù)計(jì)年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　2. SRAM

　　SRAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，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(nèi)存可以設(shè)計(jì)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(jí)高速緩存(Level2 Cache)。

　　從設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的角度看，SRAM作為存儲(chǔ)器的特點(diǎn)不突出，倒更象一個(gè)高速IC;面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也與IC一樣，即納米尺度下的功耗問題及工藝波動(dòng)引起的不確定性問題。對(duì)于SRAM來說，功耗、速度的權(quán)衡(Trade-off)是最重要的。未來，與“宿主”一起開發(fā)嵌入IP設(shè)計(jì)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，將來還可能發(fā)展成為3、 4bit。另外，CTM(轉(zhuǎn)制)存儲(chǔ)器開始進(jìn)入實(shí)用，將在未來2-3年內(nèi)成為Flash的主流結(jié)構(gòu)，并主導(dǎo)NVM市場(chǎng)10年左右。

　　但是，傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)面臨等比例縮小極限和互感電容的問題，無法應(yīng)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，其固有的寫入速度慢(ms級(jí))、擦除電壓高(10V左右)和擦寫次數(shù)受限(106)等問題無法解決，F(xiàn)lash面臨工藝和物理限制，因此，急需發(fā)展新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)。

　　4. 新型存儲(chǔ)器

　　存儲(chǔ)器技術(shù)是一種不斷進(jìn)步的技術(shù)，隨著各種專門應(yīng)用不斷提出新的要求，新的存儲(chǔ)器技術(shù)也層出不窮，每一種新技術(shù)的出現(xiàn)都會(huì)使某種現(xiàn)存的技術(shù)走進(jìn)歷史，因?yàn)殚_發(fā)新技術(shù)的初衷就是為了消除或減弱某種特定存儲(chǔ)器產(chǎn)品的不足之處。

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

　　(1) 相變存儲(chǔ)器(PCM)

　　它是新一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。它是一種利用材料中的可逆相態(tài)變化來存儲(chǔ)信息的非易失性存儲(chǔ)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(jié)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(chǔ)存的信息時(shí)要求有一步單獨(dú)的擦除步驟。而在一位可變的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的信息在改變時(shí)無需單獨(dú)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(chǔ)器。早期Intel進(jìn)行的兆比特PCM存儲(chǔ)陣列能夠保存大量數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)存儲(chǔ)速度快的特點(diǎn)。這使得存儲(chǔ)器中的代碼可以直接執(zhí)行，無需中間拷貝到RAM。PCM讀取反應(yīng)時(shí)間與最小單元一比特的NOR閃存相當(dāng)，而它的帶寬可以媲美DRAM。相對(duì)的，NAND閃存因隨機(jī)存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)幾十微秒，無法完成代碼的直接執(zhí)行。4)PCM能夠達(dá)到如同NAND的寫入速度，但是PCM的反應(yīng)時(shí)間更短，且無需單獨(dú)的擦除步驟。NOR閃存具有穩(wěn)定的寫入速度，但是擦除時(shí)間較長。PCM同RAM一樣無需單獨(dú)擦除步驟，但是寫入速度(帶寬和反應(yīng)時(shí)間)不及RAM。隨著PCM技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲(chǔ)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(chǔ)器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致存儲(chǔ)器很難縮小體型。PCM集其它各類型存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)于一身，如果在高端系統(tǒng)使用低延時(shí)PCM技術(shù)，有望大大提升系統(tǒng)性能。

　　(2)鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)

　　它是利用鐵電晶體的電滯回特性，來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種新型存儲(chǔ)器， FRAM 記憶體不需要定時(shí)刷新，掉電后數(shù)據(jù)立即保存，它速度很快，且不容易寫壞。目前鐵電存儲(chǔ)器的兩大先驅(qū)是Ramtron和Symetrix公司，這兩家公司的許可權(quán)購買方包括各大重要的半導(dǎo)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(dǎo)體，德州儀器以及東芝等。已有多款商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)。目前鐵電存儲(chǔ)產(chǎn)品主要集中在傳感器，RFID控制器等需要非揮發(fā)存儲(chǔ)，而且難以提供Flash所需要的高壓的應(yīng)用環(huán)境。

　　鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)在于非揮發(fā)存儲(chǔ)，功耗低，單位存儲(chǔ)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?yàn)殂K幾乎不與其他材料反應(yīng)，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?yàn)殍F電材料會(huì)污染CMOS工藝線，因此鐵電存儲(chǔ)器普遍采用前端CMOS電路和后端存儲(chǔ)單元分開生產(chǎn)的模式，提高了成本而且難以采用最新工藝來生產(chǎn)鐵電存儲(chǔ)器。

　　(3)磁阻存儲(chǔ)器 (MRAM)

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

　　與鐵電存儲(chǔ)器一樣，磁阻存儲(chǔ)器也具備SRAM一樣的速度，接近DRAM的存儲(chǔ)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(dǎo)致目前難以在最新工藝平臺(tái)上開發(fā)產(chǎn)品。

　　(4)RRAM(阻變存儲(chǔ)器)

　　RRAM通常采用金屬—絕緣介質(zhì)—金屬(MIM)的三明治結(jié)構(gòu)，通過絕緣介質(zhì)的電阻轉(zhuǎn)變進(jìn)行工作。RRAM是國際上最近興起的新型存儲(chǔ)器，其中過渡金屬氧化物RRAM在近兩年內(nèi)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(zhuǎn)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(chǔ)陣列，并且具有較小的工作電流和改善的轉(zhuǎn)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(chǔ)單元，速度可達(dá)5ns，電流小于100uA ;三星2007 年也報(bào)道了采用Ti 摻雜NiO 組成的雙層1D1R 型結(jié)構(gòu)8×8 陣列來演示RRAM 高密度集成;在2009 年的IEDM 會(huì)議上，臺(tái)灣工研院報(bào)道了采用臺(tái)積電(TSMC)0.18 標(biāo)準(zhǔn)工藝成功制備了存儲(chǔ)密度為1-Kb 的RRAM 陣列電路，采用的1T1R 型存儲(chǔ)單元尺寸為30×30nm2，成品率達(dá)到100%，可在40ns 寬脈沖工作模式下轉(zhuǎn)變106 次以上，且保持特性可達(dá)10年等良好的非易失性存儲(chǔ)特性 ;2010年日本SHARP報(bào)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(bào)道了90nm工藝制造的64Mb測(cè)試芯片，但是未報(bào)道單元存儲(chǔ)特性。總體來看，以上報(bào)道的研究成果均為試驗(yàn)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(guī)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(guī)模，即使往下發(fā)展技術(shù)上有很多挑戰(zhàn)，大約五到十年內(nèi)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(chǔ)器類型可能勝出。從目前的結(jié)果看，最有可能仍然是RRAM,因?yàn)樵摷夹g(shù)具有和現(xiàn)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(chǔ)器與閃存性能比較