特約通訊員周祺

科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展主軸從PC轉(zhuǎn)到移動終端，半導(dǎo)體存儲技術(shù)不論在應(yīng)用還是價值方面都發(fā)生了引人注目的變化。此變化歸因于消費(fèi)者對移動產(chǎn)品需求的轉(zhuǎn)變，從而激發(fā)了對新的存儲技術(shù)的需求和興趣。

這一意義重大的應(yīng)用變革——移動多媒體應(yīng)用取代桌面數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，成為了許多新興半導(dǎo)體技術(shù)的主要研發(fā)目標(biāo)。DRAM也廠商正經(jīng)歷著慘烈大整合賽，陸續(xù)往移動應(yīng)用商機(jī)靠攏。

種種跡象表明非揮發(fā)性存儲技術(shù)是這一新的應(yīng)用中成長最快的技術(shù)之一，它滿足了人們對低能耗的需求，有助于減少電池尺寸，減輕電池重量，延長能源設(shè)備的續(xù)航時間。非揮發(fā)性存儲技術(shù)逐步替代DRAM也不過是這幾年的事。這一替代主要是由OEM廠商所推動，目的是減少某些應(yīng)用中與存儲相關(guān)的能源消耗，可以在廣泛意義上看作是NAND發(fā)展的延伸。這一趨勢也正是OEM廠商在非揮發(fā)性存儲技術(shù)帶來的性能不斷擴(kuò)大的技術(shù)背景下如何識別和尋找新機(jī)會的縮影。

這一改變使傳統(tǒng)的龐大且單一的DRAM產(chǎn)品基礎(chǔ)被割裂開來，為注入其它類型的高性能的非揮發(fā)性存儲技術(shù)提供了機(jī)會。

移動市場

圖1 移動數(shù)據(jù)應(yīng)用的爆炸性增長

這一影響深刻、范圍廣泛的產(chǎn)品變革潮流為許多新興企業(yè)（如Adesto technologies）進(jìn)入市場提供了機(jī)會，其所面臨的首輪試水就是移動低功率應(yīng)用。

圖1反映了這一細(xì)分市場的爆炸性增長，這只是一個保守的評估。Convergent Semiconductors，一家專注于半導(dǎo)體市場轉(zhuǎn)型及戰(zhàn)略分析的研究機(jī)構(gòu)，認(rèn)為隨著全球經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)復(fù)蘇，以及新興經(jīng)濟(jì)體國家新市場的發(fā)展，將會把市場增長率推向更高。

縱觀那些高速增長的移動產(chǎn)品，如智能手機(jī)、平板電腦、電子閱讀器等，其6年復(fù)合年均增長率達(dá)39%。這些產(chǎn)品家族都屬于移動轉(zhuǎn)型機(jī)遇的一部分，在全球半導(dǎo)體市場掙扎求存的2009年，這些移動產(chǎn)品增長卻高達(dá)138%。2011年，Convergent Semiconductors曾提出預(yù)期增長超過33%，并預(yù)計到2016年每年增速將保持35%以上。以上的統(tǒng)計只是針對純設(shè)備的，還沒有包含產(chǎn)品攜帶的應(yīng)用軟件銷售所帶來更加可觀的收益增長在內(nèi)。

乍一看，移動設(shè)備的存儲容量要低于那些面向數(shù)據(jù)的計算設(shè)備（如pc）。但這是一個具有創(chuàng)新增長點的細(xì)分領(lǐng)域，在這當(dāng)中不論是現(xiàn)有的還是新進(jìn)的移動設(shè)備都有兩位數(shù)的增長率。

值得考慮的是雖然移動應(yīng)用是DRAM應(yīng)用中增長速度最快的細(xì)分領(lǐng)域，但移動應(yīng)用并不單純由現(xiàn)有的DRAM技術(shù)所推動。移動應(yīng)用是實現(xiàn)從DRAM到非揮發(fā)性存儲技術(shù)轉(zhuǎn)型的一個窗口。內(nèi)存子系統(tǒng)的價值將會在向移動系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)變的過程中得到增強(qiáng)。廣泛的移動應(yīng)用將推動半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計者會將不同的內(nèi)存子系統(tǒng)根據(jù)地域、價格、性能的不同應(yīng)用到差異性的產(chǎn)品中。

面向移動時代的非揮發(fā)性存儲技術(shù)

在高速成長的移動市場的推動下，十年來，世界上出現(xiàn)了幾項具有突破性的存儲器技術(shù)，使業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被淘汰出局，并擴(kuò)大了閃存技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)廣泛接受的觀點是，任何一項技術(shù)如果取得成功，就會在未來十年內(nèi)變?yōu)楫a(chǎn)品。目前，業(yè)界對兩大類全新的非揮發(fā)性存儲器進(jìn)行了可行性調(diào)研，其中一類是基于無機(jī)材料的存儲器技術(shù)，如導(dǎo)電橋接存儲器（CBRAM）、鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)或相變存儲器(PCM)，另一類存儲器技術(shù)則基于有機(jī)材料，鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合物。

在目前已調(diào)研的兩大類新的非揮發(fā)性存儲器技術(shù)中，基于鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合體的有機(jī)材料的存儲器技術(shù)還不成熟，處于研發(fā)階段。某些從事這類存儲器材料研究的研發(fā)小組開始認(rèn)為，這個概念永遠(yuǎn)都不會變成真正的產(chǎn)品。事實上，使這些概念符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成要求及其制造溫度，還需要解決幾個似乎難以逾越的挑戰(zhàn)。另一方面，業(yè)界對基于無機(jī)材料的新非揮發(fā)性存儲器概念的調(diào)研時間比較長，并在過去幾年發(fā)布了幾個產(chǎn)品原型。

導(dǎo)電橋接存儲器（CBRAM）

圖3 FeRAM單元架構(gòu)方案

CBRAM曾經(jīng)被稱作可編程金屬化單元（programmable metallization cell，PMC），是由亞利桑那州立大學(xué)開發(fā)的一種非揮發(fā)存儲技術(shù)。最早推出CBRAM的公司是Adesto。2010年的非揮發(fā)性內(nèi)存研討會上，Adesto宣布了以PMC技術(shù)為基礎(chǔ)的130nm工藝制造的CBRAM。此CBRAM存儲器件保持時間可達(dá)10年，工作電壓1V，寫入電流小于60μA，單元寫入時間小于5μs、擦除時間小于10μs。CBRAM存儲器的核心是存儲器件，而CBRAM器件本身是一種新型的器件結(jié)構(gòu)，在眾多的新型非揮發(fā)存儲器中也是被大家所看好的一個。

CBRAM器件的結(jié)構(gòu)是金屬/固態(tài)電解質(zhì)/金屬的三層結(jié)構(gòu)。CBRAM單元的其中一個電極選用具有電化學(xué)活性的金屬材料，如Ag或Cu，通常被稱作陽極（anode）；另一個電極選用具有電化學(xué)惰性的金屬，如鉑(Pt)、銥(Ir)或鎢(W)，通常被稱作陰極(cathode)。兩個金屬電極中間的材料是一層薄膜。

圖2 CBRAM器件結(jié)構(gòu)示意圖

從性能上看，CBRAM速度、集成度、功耗和成本上會很大的優(yōu)勢，而且使用的是CMOS工藝制造。因此，只要能夠量產(chǎn)CBRAM的應(yīng)用前景將非?？捎^。

鐵電存儲器(FeRAM)

早在上個世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了FeRAM技術(shù)概念。雖然在研究過程出現(xiàn)過很多與新材料和制造模塊有關(guān)的技術(shù)難題，但是，經(jīng)過十年的努力，即便固有的制程縮小限制，技術(shù)節(jié)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃存，鐵電存儲器現(xiàn)在還是實現(xiàn)了商業(yè)化。這個存儲器概念仍然使用能夠被電場極化的鐵電材料。溫度在居里點以下時，立方體形狀出現(xiàn)晶格變形，此時鐵電體發(fā)生極化；溫度在居里點以上時，鐵電材料變成順電相。到目前為止，業(yè)界已提出多種FeRAM單元結(jié)構(gòu)（如圖3所示），這些結(jié)構(gòu)屬于兩種方法體系，一種是把鐵電材料集成到一個單獨的存儲元件內(nèi)，即鐵電電容器內(nèi)（在雙晶體管/雙電容(2T2C)和單晶體管/單電容(1T1C)兩種元件內(nèi)集成鐵電材料的方法），另一種是把鐵電材料集成到選擇元件內(nèi)，即鐵電場效應(yīng)晶體管內(nèi)。所有的FeRAM架構(gòu)都具有訪存速度快和真證的隨機(jī)訪問所有存儲單元的優(yōu)點。今天，F(xiàn)eRAM技術(shù)研發(fā)的主攻方向是130nm制程的64Mb存儲器。

磁阻存儲器(MRAM)

多年來，磁隧道結(jié)(MTJ)存儲單元(如圖4所示)一直是MRAM研發(fā)人員的主要研發(fā)工作，MTJ由一個晶體管和一個電阻組成(1T/1R)。這些技術(shù)是利用隧道結(jié)與磁阻材料整合產(chǎn)生的特殊效應(yīng)：當(dāng)施加一個磁場時，電阻就會發(fā)生變化。訪存速度極快的無損性讀取性能是確保高性能、讀寫次數(shù)相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺點是該技術(shù)固有的寫操作電流過高和技術(shù)節(jié)點縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業(yè)界最近提出了自旋轉(zhuǎn)移矩RAM(SPRAM)解決方案，這項創(chuàng)新技術(shù)是利用自旋轉(zhuǎn)換矩引起的電流感應(yīng)式開關(guān)效應(yīng)。盡管這一創(chuàng)新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見問題，但是還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服（例如：自讀擾動、寫次數(shù)、單元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb陣列180nm制程的產(chǎn)品。

相變存儲器(PCM)

圖4 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構(gòu)

PCM利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態(tài)逆變的特性?；締卧Y(jié)構(gòu)由一個晶體管和一個電阻構(gòu)成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)對單元進(jìn)行寫操作，通過檢測非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲單元。雖然這項技術(shù)最早可追溯到上個世紀(jì)70年代，但是直到最近人們才重新嘗試將其用于非揮發(fā)性存儲器（采用相變合金的光電存儲設(shè)備取得商業(yè)成功，也促進(jìn)了人們發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的相變材料結(jié)構(gòu)的研究活動），相變存儲器證明其具有達(dá)到制造成熟度的能力。從應(yīng)用角度看，PCM特別適用于消費(fèi)電子、計算機(jī)、通信三合一電子設(shè)備的存儲器系統(tǒng)。具體地講，在無線系統(tǒng)中，PCM可用作代碼執(zhí)行存儲器；PCM可用作可改寫只讀存儲器，保存處理頻率最高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以外的全部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在固態(tài)存儲子系統(tǒng)中，保存經(jīng)常訪問的頁面；在立即處理數(shù)據(jù)時，保存更容易管理的數(shù)據(jù)元素；計算機(jī)平臺可利用其非揮發(fā)性。

PCM技術(shù)研發(fā)正沿著不同的路線并行前進(jìn)。主流的開發(fā)路線將是采用BJT選定的單元，沿著光刻技術(shù)發(fā)展路線，縮小現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)，提供最小的單元尺寸。除廣泛使用的Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一個重要的研究領(lǐng)域，因為這可能會開創(chuàng)全新的應(yīng)用領(lǐng)域；結(jié)晶速度極快或結(jié)晶溫度更高的合金將會更有吸引力。

總之，在替代DRAM的非揮發(fā)性存儲器當(dāng)中，上述幾項非揮發(fā)性存儲技術(shù)都具備了進(jìn)入廣闊市場的能力表現(xiàn)，被視為下一個十年的主流存儲器技術(shù)。未來，隨著現(xiàn)有技術(shù)的不斷成熟，技術(shù)節(jié)點縮小能力的不斷增強(qiáng)，以及新材料和新架構(gòu)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，這一切為非揮發(fā)性存儲器技術(shù)未來十年在存儲器市場發(fā)揮重要作用鋪平了道路。