未來的非易失存儲器(NVM)探索

作者：迎九時間：2004-12-30 來源：

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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，但世界存儲器市場的主要供應(yīng)商—英飛凌早已意識到現(xiàn)有的存儲器都有一定的技術(shù)局限，因此為了滿足未來更高性能、更低成本需求，需要創(chuàng)新性地開發(fā)一些新技術(shù)/產(chǎn)品(圖1)。

圖1 開發(fā)新興存儲器的原因

圖2 現(xiàn)有與新興的存儲器
非易失閃存的特點(diǎn)是在斷電時不會丟失內(nèi)容。目前，業(yè)界正處于研發(fā)階段、又具有應(yīng)用潛力的NVM有磁性 RAM，導(dǎo)體橋接(Conductive Bridging, CB)RAM，相移(PC)RAM(Intel研發(fā)，也稱OUM)，有機(jī)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，但誰將在未來的市場上勝出充滿變數(shù)(圖2)；不過從性能指標(biāo)上看，英飛凌等公司認(rèn)為MRAM與FeRAM較有優(yōu)勢，投入研發(fā)的力度也較大；同時，英飛凌在現(xiàn)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(jì)算機(jī)即使在電源故障時也不會丟失數(shù)據(jù)；筆記本電腦電池可以使用幾天時間而不必充電；手持電腦和手機(jī)配備有海量存儲器；而PC只需要按一下電源開關(guān)，就可以從昨天關(guān)機(jī)的狀態(tài)立即開始。只要幾年時間，這一切都會變?yōu)楝F(xiàn)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(xiàn)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)的此類革命性計(jì)算機(jī)存儲器原型：全球第一款16Mbit磁阻RAM(MRAM, Magnetoresistive RAM)原型。
MRAM存儲器速度非常快，從而支持超快速數(shù)據(jù)存取。作為對比，英飛凌的16Mbit MRAM芯片速度比應(yīng)用于USB閃盤、手持計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中的非易失性閃存的速度快約1000倍。進(jìn)一步，MRAM存儲器單元的可寫入次數(shù)比閃存要高100萬倍。
16Mbit芯片(1600萬存儲單元)這樣的高存儲容量之所以能夠?qū)崿F(xiàn)是因?yàn)椴捎昧诵≈羶H1.4mm2的存儲單元。作為對比，5000個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(biāo)志著這一新技術(shù)發(fā)展過程中的一項(xiàng)重大突破。”
MRAM芯片利用材料的磁化特性來存儲信息，而不是利用電荷。MRAM通過控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲能力。英飛凌所使用的磁阻元件是磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)有上、下兩層磁性材料，中間夾著一層非磁性的絕緣層。MTJ元件是由磁場調(diào)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)來建立兩個穩(wěn)定狀態(tài)。在反平行狀態(tài)時，通過此元件的電子會受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；反之顯示較低的阻值。MTJ元件通過內(nèi)部金屬導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度來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，英飛凌公司就與IBM合作開發(fā)MRAM芯片。最近，這一技術(shù)被轉(zhuǎn)移給兩家公司設(shè)在法國的合資公司Altis。

FeRAM：采用垂直電容器的小型高度可擴(kuò)展的三維FeRAM單元
在FeRAM(鐵電隨機(jī)訪問存儲器)中，利用鐵電薄膜的剩余極化來存儲信息。與MRAM一樣，F(xiàn)eRAM也是一種新型存儲技術(shù)。FeRAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括與SRAM類似的快速讀寫性能以及更低的功耗。這使得該技術(shù)非常適用于游戲機(jī)、手機(jī)、移動產(chǎn)品和芯片卡等應(yīng)用。
與FRAM或閃存相比，目前的FeRAM單元尺寸仍然較大，因此開發(fā)小型的具有競爭力的FeRAM單元成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。利用討論最廣泛的平面型FeRAM單元概念，只能達(dá)到約10F2 的單元結(jié)構(gòu)大小，其中F(毫微微)是工藝的最小設(shè)計(jì)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)研討會上提出了一種采用新型三維垂直電容結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新鏈?zhǔn)紽eRAM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(jié)構(gòu)尺寸。
在研究人員提出的垂直電容器FeRAM存儲單元中，存儲單元包括一個晶體管和一個鐵電電容器，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(jié)構(gòu)更為緊湊。在本次研討會上，研究人員給出了這一創(chuàng)新單元結(jié)構(gòu)的第一個有前途的結(jié)果。

用于代碼和數(shù)據(jù)閃存產(chǎn)品的110nm NROM
筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA等便攜式產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展要求在閃存卡、CompactFlash卡或USB設(shè)備等可移動存儲器上存儲大量數(shù)據(jù)。針對此類大眾存儲應(yīng)用的非易失性存儲器是成本驅(qū)動的，也就是說，它們需要每bit成本最低的解決方案。由賽芬(Saifun)半導(dǎo)體公司開發(fā)的NROM技術(shù)可在一個存儲單元內(nèi)存儲兩個不同的數(shù)據(jù)位，因此對于成本敏感的產(chǎn)品非常具有吸引力。Infineon的閃存部門最近推出的Twin-Flash產(chǎn)品就基于Saifun這一2位/單元的架構(gòu)(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(jié)構(gòu)和較低的工藝復(fù)雜性，需要進(jìn)行概念性的創(chuàng)新。英飛凌提出的新單元結(jié)構(gòu)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)研討會上，英飛凌提出的新型NROM設(shè)計(jì)方法在110nm設(shè)計(jì)規(guī)則下位尺寸僅0.043mm2/bit。這一概念性設(shè)計(jì)采用主流CMOS型單元器件和一個虛擬地陳列架構(gòu)。新的技術(shù)可同時用于裸片密度達(dá)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范圍工藝尺寸時面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，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柵極門來控制靜電隧道，從而可保證其工藝伸縮能力。電荷存儲在鄰近一個類似魚鰭狀柵極區(qū)域的氮捕獲層中(圖6)。與傳統(tǒng)浮柵單元相比，隧道氧化層具有很好的工藝縮微特性，因?yàn)椴东@層對于單個泄漏路徑不敏感。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。