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关于新兴存储技术,这里有你不知道的诸多知识

2018-12-13
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来源:本文由公众号 半导体行业观察(ID:icbank)翻译自「Thememoryguy」,谢谢。


当下,新兴存储技术越来越受到业界的瞩目,如PCM、MRAM、ReRAM、FRAM等存储器已经蛰伏待机了几十年,以寻求适合其自身特点的应用机会,今天看来它们的机会真的到来了。


实际上,在以上提到的几种存储类型中,有一些已经批量生产了,且这些芯片也带来了较好的销售收入。随着先进的逻辑处理制程节点驱动复杂的处理器和ASIC采用新兴的、具有持久存储能力的技术,市场有望出现显著转变。与此同时,业界大佬英特尔已开始积极推广其新的3D XPoint存储器,用作高级计算的非易失性内存。SNIA(Storage Networking Industry Association)、JEDEC和其他标准组织,以及Linux社区和主要软件公司正在努力建立必要的标准和生态系统,以支持这些新存储技术的持久性发展。



本文将从多个角度审视新兴存储器技术,并预测这些技术如何改变芯片市场。


新兴存储技术存在的必要性


业界存在着这样一个疑问:既然基于硅的存储技术一直是优选方案,为什么还要去研究非硅基存储器呢?有改变的必要吗?


其实,这个问题并不难回答。


硅存储器技术得益于它们始终采用与生产CMOS逻辑芯片几乎相同的工艺技术,可以利用存储器和逻辑工艺共同开发的优势。实际上,在20世纪80年代中期之前,逻辑和存储制程是相同的。直到那时,存储市场才变得足够大(超过50亿美元/年),它可以支持任何额外的制程工艺开发。


即便如此,存储芯片的制程工艺和逻辑制程一直没有大的区别,存储器和逻辑芯片之间的这种协同作用可继续降低制程工艺的开发成本。


几乎所有新兴存储器技术都使用了未用于逻辑制程的新材料,因此它们不会从这种协同作用中受益。与硅相比,这些新材料并未得到很好的理解,而缺乏理解会导致产量问题。


那今,为什么新兴存储技术会在短时间内取得快速发展呢?


考虑到NAND闪存演进到3D的原因是平面浮动栅极(NAND和NOR闪存的基本位单元)不能缩小到低于15nm。这是所有NAND闪存制造商将平面技术转换为3D的主要原因。


眼下,半导体行业最先进的逻辑工艺已经微缩到10nm以下,现在,台积电已经开始量产7nm芯片了。基于这些逻辑制程工艺构建的SoC将通过包含固件的非易失性存储器受益,但存储器需要在15nm工艺上生成。采用7nm逻辑制程和15nm闪存的芯片,可能不如使用15nm工艺的逻辑和存储器芯片。从这个角度来看,似乎不可避免地需要一些新技术来使非易失性存储器继续随逻辑芯片同步发展。


如果为逻辑芯片开发新的存储技术,那么开发的工艺技术可以应用于独立的存储器芯片,而且成本非常适中。这意味着分立式新兴存储芯片市场也可能有大发展。但是,这种情况下还有其他因素在起作用,具体内容下文会有介绍。


人们已经花费了相当大的努力来开发新的存储器,以便一旦突破其在15nm处的扩展限制,就取代NAND。然而,NAND闪存开发商却通过转向3D来设法找到解决问题的方法,这使得新技术很难在短时间内攻克NAND市场。因此,新兴存储器公司已经转移了他们的注意力,寄希望于即将出现的DRAM扩展,可能是因为其制程微缩到10nm以下,将为他们的技术开辟一个重要的市场。这确实可能发生,DRAM开发人员表示,他们仍然有许多路径可以进一步扩展,而不需要MRAM等新兴的存储技术。


从今天的角度来看,新兴存储器技术可能首先作为逻辑SoC的嵌入式存储器,一部分先实现大批量生产,随后演进成为分立存储器市场的重要组成部分。


位选择器


在介绍和定义所有新兴存储技术之前,我们需要先了解一下位选择器(bit selectors)这个概念,原因是要用位选择器来确定可以获得多小的位单元,这是新存储技术总成本的一个非常重要的考量因素和组成部分。成本非常重要,因为没有系统设计人员会使用过于昂贵的组件。


或许您从未听说过选择器,其实它并不复杂,下面具体解释一下。


存储芯片中的每个位单元都需要一个选择器,它将位单元的内容路由到总线上,通过总线连接芯片的引脚,允许读取或写入。位单元技术决定着选择器的类型:SRAM使用两个晶体管,DRAM使用一个晶体管,闪存将晶体管与位单元连接起来,以便晶体管存储该位并进行选择操作。


新兴存储技术使用的选择器比当今领先的存储技术所需的简单很多,它们可以使用双端选择器或三端选择器,电路如下图所示,可以看到两者之间没有太大区别。在这两种情况下,选择器通过用晶体管将其关闭来控制通过位单元的电流,或者当电流通过二极管反转时将其关闭。



下面介绍一下选择器的基本原理。


第一个是电阻式RAM(ReRAM)阵列,下图是其简单的俯视图。每个位单元由字线和位线的交叉点表示(此图已经过简化,未显示选择器),字线提供电流以选择要读取或写入哪一行位。位线读取该字线上的位,或者它允许施加到位线的电流对该位进行编程。



位可以处于高阻态或低阻态,这里使用红色表示高电阻状态,绿色表示低电阻状态,在这些状态下,要么电流停止流动,要么允许电流通过。


如下图所示,我们现在假设没有选择器。如果一个位置于低电阻状态,且其字线(蓝色)通电(激活),则电流从字线通过位线(绿色)流向绿色单元。没有其它位线接收电流,因为它们的所有位单元都处于高阻态(红色)。



如果激活任何其他字线,则没有电流流入任何位线,因为所有其它单元都是红色,这意味着它们处于高电阻状态。


但是,当其它位处于低电阻状态时,会出现问题。具体如下图所示。



沿着位线向下流动的输出电流也可以沿着位线向上流动到处于低电阻状态的另一个单元,如图中的条纹箭头表示。该低电阻位允许电流向后流到另一个字线,并且该字线上的任何位都可以将该错误电流引导到其自己的位线上。


想象一下,该图具有1,024 x 1,024阵列的位,并且这些位被随机编程为50/50混合的低电阻和高电阻状态。在不使每一个位线输出电流的情况下,任何字线都不可能通电!


选择器的作用就是要确保不会发生以上情况。二极管可以与位单元串联,以防止反向电流流到其它字线上。在一些新兴存储技术中,二极管可以放在位单元的正下方,使它根本不占用空间(在Crossbar公司的设计中,选择器实际上是位单元存储机制的一个功能,相关的白皮书中对此进行了详尽的解释)。


然而,大多数存储器不能使用二极管作为选择器,因为电流必须双向通过单元。这在下文有具体说明。目前,业界仍在进行大量的研究工作,以开发良好的双向选择器,其在低电压下表现得像二极管,在较高电压下表现为电阻器。但在大多数情况下,使用晶体管要容易得多,如上面三端选择器原理图所示。


但是,晶体管选择器需要大量空间,因为字线和源线必须跨阵列运行。通过下图可以粗略地了解一下它的工作原理。



由于每条字线都有一条源线相随,因此,与双端配置一样,半字线将适合给定区域。这使得存储器成本大约是双终端选择器的两倍。


从事新兴存储技术的开发人员会对能够通过二极管进行选择的技术感到非常兴奋,这是一种可以减小尺寸和成本的方法,因为芯片的成本与其面积成正比。不幸的是,大多数新兴存储技术需要正向电流写入和反向电流擦除,因此简单的二极管将无法工作。业界正在开发双向选择器,但另一个问题会妨碍它们,是什么呢?下文会讨论到。


PCM似乎在这方面具有优势。正如将在下文解释的那样,PCM编程并用正向电流擦除,因此只需要一个简单的二极管作为PCM单元的选择器。英特尔Fellow Al Fazio是3D XPoint 存储技术的教父,他在3D XPoint发布前两年宣传了这一观点。然而,这似乎还不够,需要更多的东西。


选择器很难做到绝对正确。当3D XPoint于2015年首次推出时,Micron的Scott deBoer表示,您可以用几乎任何材料制作ReRAM的位单元,但选择器却是个棘手问题。


那么双向选择器有什么用呢?如果选择器的“开”与“关”电阻的比率为100:1,并且有100条通往位线的潜行路径,那么来自100条潜行路径的电流将等于来自合法路径的电流。在大型阵列中,这几乎肯定会发生。选择器必须具有更好的执行能力。然而,在大多数情况下,晶体管提供更好的开/关比,并且允许双向电流通过,因此它就成为了必要的“恶魔”。


所有这些都是为了解释选择器对存储器阵列面积有显着影响,且阵列的成本与其面积成正比。因此,与必须使用三端选择器的存储器相比,可以使用具有双端选择器的存储器,这样更有机会与现有成熟的存储器竞争。


MRAM/ReRAM/PCM/XPoint/FRAM谁主沉浮?


PCM:也称为PRAM,相变存储器技术基于在正常环境温度下无定形或结晶的材料。晶态具有低电阻,非晶态具有高电阻。


在化学和物理学中,任何无定形的物质都被称为液态或气态。固态,液态和气态也称为“相位”。相变存储器的名称源于位单元在晶相和非晶相之间切换的结果。



自20世纪60年代开始研究以来,PCM 于2006年首次出货。该技术通常基于硫属化物玻璃(chalcogenide glasses),英特尔/美光联合开发的3D XPOINT内存就是基于PCM的。PCM的最大优势是:它可以使用简单的2端二极管,而不是双向器件进行选择,因为在设置、复位或读取位时电流的运行方向相同。


MRAM:磁性RAM基于巨磁阻(GMR),其自20世纪90年代初以来一直用于HDD记录头。当多层GMR堆叠的某些层在相同方向上被磁化时,另一层将表现为低电阻。当它们以相反方向磁化时,层的电阻会很高。这种磁化可以通过导线周围的场(Toggle Mode MRAM)产生,也可以通过使正向或反向电流通过位单元(Spin-Tunnel Torque或STT MRAM)来实现。目前,这两种产品都有出货。


MRAM已经获得了大量投资,这产生了许多STT MRAM变体,包括垂直STT、过程自旋扭矩、旋转轨道扭矩(SOT)等。尽管迄今为止所有设备都使用了三端选择器,但最近的研究表明,未来几年可能会使用双端选择器。


ReRAM:电阻式RAM有许多名称,ReRAM、RRAM和Memristor是最常见的。ReRAM最广泛的定义包括使用电阻存储元件的任何存储器; 包括PCM和MRAM。为了将它们区分开来,这里的ReRAM是任何非PCM或MRAM的、基于电阻的存储技术。



大多数ReRAM中的位设置/复位机制涉及金属丝或氧空位的产生和消除:原子实际上在器件内移动。这自然会导致磨损,但研究人员认为这种磨损可以大大低于NAND闪存。该过程使用正向和反向电流,这有时使得三端子选择器比双端子选择器更容易使用。但是,某些ReRAM可以与双端选择器配合使用,某些变体甚至可以在位单元内执行选择。这使得它们在单层中使用时是经济的,并且允许它们在多层中构造以进一步降低成本。


虽然大多数ReRAM使用新材料,但一些公司已经开发出可以使用已经用于大批量芯片生产的成熟材料制造。目前,某些ReRAM已经批量出货。


FRAM:铁电存储器,FRAM或FeRAM,但它并不使用铁,这项技术之所以这样命名,是因为它的机制与铁被磁化和去磁时的机制十分类似。在一个方向上的电流将使FRAM单元内的原子转移到分子的一端,反向电流将它们转移到另一端。


FRAM通常不是电阻存储器。今天生产的FRAM使用破坏性读取机制,其向单元施加写入电压。如果电流流动,则意味着原子从单元的一端移动到另一端,并且单元处于擦除状态。如果没有电流流动,则原子已经在电池的那一端。如果读取操作导致原子移动,则在读取单元格之后必须将该原子恢复到原始位置。



最近的研究发现,FRAM可以使用氧化铪制成,氧化铪是一种广泛应用于半导体工厂的材料。这是FRAM区别于其他新兴存储技术的决定性优势。目前的FRAM使用三端选择器,这对其承载能力有一定限制。


其他技术:NRAM由碳纳米管,石墨烯存储器,导电电子RAM(CeRAM)和上述技术的变体制成,如聚合物铁电体,铁电隧道结(FTJ),铁电FET(FeFET),界面PCM(iPCM,也称为Superlattice PCM或TRAM),磁电RAM(MeRAM),Racetrack Memory等等。


综上,当DRAM和NAND闪存无法继续降低成本时,所有新技术都会争夺下一代存储市场地位,但在此之前必须克服诸多技术和应用障碍。


新存储材料研究


新兴存储器的研发,必须进行大量的测试,以准确研究这些新技术和材料的性能。如果使用一批300mm晶圆进行单次测试,特别是如果不能在该晶圆上运行其它测试的话,成本会大幅增加。


另一个很大的困难是大多数存储器制造商在非常高效和大批量的晶圆厂运行晶圆,要中断生产过程以注入一批测试晶圆是危险和浪费的。大多数晶圆厂管理人员都不愿改变流程来接受实验。


那么,可以采取哪些措施来改善这种状况呢?


Intermolecular, Inc. (IMI)公司有一个解决方案,他们已经建立了一个小晶圆厂,允许单个晶圆以跨越单个晶圆变化的参数进行处理。以这种方式,一个晶圆可以同时进行36个或更多个不同的实验。这显然比在36片晶圆上进行实验更为经济。


该公司称自己为 研发外包公司。


一些读者可能已经猜到:这将需要特殊的工具。标准晶圆处理工具旨在为半导体晶圆的整个表面提供绝对一致的处理结果,IMI修改了行业标准工具,允许研究人员在晶圆上的不同区域以受控方式改变参数。这不仅大大降低了实验成本,还加速了工艺,将其缩短到标准半导体加工设施所需时间的一小部分。IMI声称这种方法可以加速筛查10~100次。



如上图所示,晶片被分成若干个“斑点”。根据实验之前的决定,每个斑点的制程都与晶圆上的任何其他斑点略有不同,允许在同一晶圆上表征许多变量。下图所示为这种特征的样本图。



在新兴存储技术中,大多数位单元构建在两个金属互连层之间,这两个金属互连层在生产过程中很晚才形成。这意味着客户可以使用自己的工具来处理晶圆上的所有常规CMOS逻辑层,然后将其发送给IMI,以沉积最终金属层和这些金属层之间的位层。


IMI公司表示,他们正在表征的一些材料是MRAM,FRAM,无电容DRAM,FTJ(铁电隧道结),相变存储器(PCM),硫属化物,TRAM(拓扑开关RAM),界面相变存储器(iPCM),相关电子RAM(CeRAM)和ReRAM。


IMI还在致力于其他非存储器项目的研究,包括量子计算器件,标准HKMG逻辑(高k金属栅极),光伏和LED,甚至窗玻璃涂层(coatings for window glass)。


该公司官员表示,IMI已经进行了1,800多次实验,并对225种新材料进行了分类。


位于圣何塞的IMI是仍然存在于硅谷的极少数晶圆厂之一,另外还有应用材料的Maydan技术中心,Thinfilm工厂和Lam Research的培训工厂。Apple于2015年从Maxim Integrated购买了一个完全式调试(fully-tooled)工厂,但不能确定它是否仍在使用。


结语


本文介绍了诸多新兴存储技术,以及这些技术对于应用和市场的价值,还重点探讨了它们的位选择器,此外,还举例说明了新存储材料及批量生产情况。但这些并不是全部。之后的文章,我们还将探讨这些新兴存储技术对于工艺和生产设备提出的要求和挑战,并将详细介绍新兴的存储器企业,还会对未来市场做出预测。敬请期待。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1795期内容,欢迎关注。

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