日前,在“中国通信集成电路技术与应用研讨会暨第二届晋江国际集成电路产业发展高峰论坛”上,中国科学院微电子研究所研究员、博士生导师、中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室主任刘明院士,发表了题为“存储器技术发展态势和机遇”的主题演讲。演讲中谈到了8种存储器(5种传统+3种新型),介绍了传统存储器的工艺和封装技术发展,新型传感器的原理和优缺点,以及我国大力发展的存储器领域及研究和产业现状。

存储器新分类:基于电荷的传统存储器和基于电阻的新型存储器

存储器分为易失性和非易失性两大类。当今,易失性存储器最重要的两类是SRAM和DRAM。非易失性存储器的种类很多,市场份额最大的是闪存(FLASH),其他的还有SONOS、铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)和阻变存储器(RRAM)等。此外,SRAM、DRAM、FLASH、SONOS和FRAM这五种是基于电荷的存储器,这类存储器本质上是通过电容的充放电来实现的。而PRAM、MRAM和RRAM则是基于电阻的转变来实现的。

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看存储器的两大发展方向:工艺和封装

存储器距今已发明了50周年。1967年,第一个64位只读存储器由仙童公司发明。闪存也是在这一年由Bell实验室所提出。Intel在存储器发展的早期做出了很多贡献,比如第一个SRAM和第一个EEPROM都由该公司推出。闪存之所以是在90年代才大规模应用,是因为直到1988年,Intel和东芝才分别提出了NOR和NAND两种类型的闪存集成架构。

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下图显示的是全球存储器市场规模的变化。存储器在整个半导体产业中占据极重要的地位。DRAM和NAND Flash在存储器领域的占比也已超过90%。今天我国要大力发展的存储器也主要集中在这两大类别。

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从全球DRAM、NAND的市场份额分配图看,这两类存储器被国际巨头垄断。进入这个行业面临着很大的压力。

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从技术角度看,伴随着半导体技术的快速发展,DRAM发展非常迅速——密度越来越高,从8F2(特征尺寸)到4F2。所有主流DRAM的生产都已进入20nm以下节点。

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除了工艺不断缩小以外,封装技术也为DRAM的发展提供了另外一条途径,比如HBM(高带宽内存)和HMC(混合存储立方)这两种技术,如下。

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对于NAND来说,其正从2D NAND向3D NAND发展。3D NAND从2014年开始进入市场。三星在其中起到了很大的作用,而东芝则在早期提出了很多很有意义的架构。WD/Sandisk和三星都有了64层/512Gb的3D NAND产品,只是性能和良率有所差别。

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MRAM、PRAM和RRAM:速度比闪存快1000倍的新型存储器技术

再来看新型的存储器。

MRAM:MRAM和前述存储器概念完全不同。其基本结构是磁性隧道结,即底下一层薄膜是铁磁材料(钉扎层),其磁自旋方向固定;中间一层是隧穿层;上面一层是自由层,其自旋方向可以在外加应力的情况下改变。如果自由层的自旋方向和钉扎层的自旋方向一致,则隧道层处在低电阻的状态;反之则处于高阻状态。因此,MRAM是利用这种磁性隧道结的电阻变化实现存储。

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MRAM又分为传统的MRAM和STT-MRAM。它们都是基于磁性隧道结结构,只是驱动自由层翻转的方式不同。(MRAM当中包括很多方向的研究,如微波驱动、热驱动等等。)传统的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的两大类,前者采用磁场驱动,后者采用自旋极化电流驱动。对于传统的MRAM,由于在半导体器件中本身无法引入磁场,需要引入大电流来产生磁场,因而需要在结构中增加旁路。因此,这种结构功耗较大,而且也很难进行高密度集成(通常只有20-30F2)。若采用极化电流驱动,即STT-MRAM,则不需要增加旁路,因此功耗可以降低,集成度也可以大幅提高。

MRAM的研发难度很大,其中涉及非常多的物理,这也是诺贝尔奖颁发给这个领域的原因。磁性隧道结看似简单实则相当复杂。在这个结构中,很多材料都是在几个纳米,特别是对于MgO隧道层,要求只有1.3nm,并且是要完美的单晶。从图中的关系式可以看出,要想保持时间长,则需要增加功耗,因此需要权衡。STT-MRAM有很多的优缺点,如图所示。

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PRAM:另一类新型存储器是PRAM。它也是一种三明治的结构。中间是相变层(和光盘材料一样,GST),这种材料的一个特性是会在晶化(低阻态)和非晶化(高阻态)之间转变,即利用这个高低阻态的变化来实现存储。

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PRAM的优缺点如下图所示。

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PRAM目前发展到了另外一个领域——Intel和美光2015年联合推出了3D Xpoint技术。3D Xpoint技术的存储单元的确是PRAM,但它找到了一种合适的选择管,即1R1D的结构,而不是1R1T结构——这和三星的方向完全不同。

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3D Xpoint技术在非易失存储器领域实现了革命性突破。虽然其速度略微比DRAM慢,但其容量却比DRAM高,比闪存快1000倍。因此它填补了很大一个空白。3D Xpoint采用堆叠结构,目前一般是两层结构。它有它的好处,但也有明显缺点。堆叠层数越多,需要的掩模板个数就越多,而在整个IC制造工业中,掩模板占到了成本的最大份额。因此,从制造的角度来说,要想实现几十层的3D堆叠结构非常困难。

RRAM:RRAM看上去和PRAM相类似,只是中间的转变层的原理不同。相变是材料在晶态和非晶态之间转变,而阻变是通过在材料中形成和断开细丝(filament,即导电通路)来探测结构的高低阻态。

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RRAM相比MRAM和PRAM,研究要稍晚。虽然这个现象早在1962年就被报道了,但没有引起学术界和工业界的关注。直到2000年,美国休斯敦大学在APL上发表了一篇关于“在庞磁阻氧化物薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应”的文章后,夏普公司买了该专利,才对RRAM开始了业界的开发,自此以后才引起学术界和业界的研究。主流存储器厂商也纷纷投入力量,开始对RRAM的研究。RRAM也已经由实验室阶段进入到企业的研发阶段。

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从容量上看,这三类新型存储器,MRAM最高达4Gb,PRAM最高达8Gb,RRAM最高达32Gb。它们和闪存相比,容量差别还很大,但是不要忘记,这三者的读写速度都比闪存要快1000倍以上。

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我国存储器相关研究及产业基础

最后再看看我国相关研究和产业现状。

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