未来的非易失存储器(NVM)探索

作者：迎九时间：2004-12-30来源：收藏

2004年8月A版

6月22日，全球部分主要电子媒体聚集到英飞凌(Infineon)科技公司的存储器生产基地—德国德累斯顿市，聆听了存储器产品事业部首席技术官(CTO)W. Beinvogl博士的讲演，了解了这家世界主要的存储器公司在非易失存储器(NVM)方面所取得的一些研究成果。
尽管DRAM、Flash(闪存)等存储器发展如日中天，但世界存储器市场的主要供应商—英飞凌早已意识到现有的存储器都有一定的技术局限，因此为了满足未来更高性能、更低成本需求，需要创新性地开发一些新技术/产品(图1)。

图1 开发新兴存储器的原因

图2 现有与新兴的存储器
非易失闪存的特点是在断电时不会丢失内容。目前，业界正处于研发阶段、又具有应用潜力的NVM有磁性 RAM，导体桥接(Conductive Bridging, CB)RAM，相移(PC)RAM(Intel研发，也称OUM)，有机RAM(ORAM，聚合物存储器)等，特点如表1所示。
新兴的存储器的性能令人眩目，但谁将在未来的市场上胜出充满变数(图2)；不过从性能指标上看，英飞凌等公司认为MRAM与FeRAM较有优势，投入研发的力度也较大；同时，英飞凌在现有的主流存储器—闪存上也在不断进行技术突破。

16Mbit MRAM原型
请想象一下这样的情景：计算机即使在电源故障时也不会丢失数据；笔记本电脑电池可以使用几天时间而不必充电；手持电脑和手机配备有海量存储器；而PC只需要按一下电源开关，就可以从昨天关机的状态立即开始。只要几年时间，这一切都会变为现实。
目前正在大力研究的MRAM技术等新型存储器技术为实现这一切提供了必要条件。英飞凌宣布与IBM已于6月中旬，展示了目前为止最先进的此类革命性计算机存储器原型：全球第一款16Mbit磁阻RAM(MRAM, Magnetoresistive RAM)原型。
MRAM存储器速度非常快，从而支持超快速数据存取。作为对比，英飞凌的16Mbit MRAM芯片速度比应用于USB闪盘、手持计算机和数码相机中的非易失性闪存的速度快约1000倍。进一步，MRAM存储器单元的可写入次数比闪存要高100万倍。
16Mbit芯片(1600万存储单元)这样的高存储容量之所以能够实现是因为采用了小至仅1.4mm2的存储单元。作为对比，5000个存储单元仅有人头发丝的横截面那么大。
因此Beinvogl博士自豪地宣布：“全球首款16 Mbit MRAM存储器原型的推出标志着这一新技术发展过程中的一项重大突破。”
MRAM芯片利用材料的磁化特性来存储信息，而不是利用电荷。MRAM通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。英飞凌所使用的磁阻元件是磁性隧道结(MTJ)结构，此结构有上、下两层磁性材料，中间夹着一层非磁性的绝缘层。MTJ元件是由磁场调制上、下两层磁性层的磁化方向成为反平行(图3左)或平行(图3右)来建立两个稳定状态。在反平行状态时，通过此元件的电子会受到比较大的干扰，因此反映出较高的阻值；反之显示较低的阻值。MTJ元件通过内部金属导线所产生的磁场强度来改变不同的阻值状态，并以此记录0、1信号。
自从2000年以来，英飞凌公司就与IBM合作开发MRAM芯片。最近，这一技术被转移给两家公司设在法国的合资公司Altis。

FeRAM：采用垂直电容器的小型高度可扩展的三维FeRAM单元
在FeRAM(铁电随机访问存储器)中，利用铁电薄膜的剩余极化来存储信息。与MRAM一样，FeRAM也是一种新型存储技术。FeRAM技术的优点包括与SRAM类似的快速读写性能以及更低的功耗。这使得该技术非常适用于游戏机、手机、移动产品和芯片卡等应用。
与FRAM或闪存相比，目前的FeRAM单元尺寸仍然较大，因此开发小型的具有竞争力的FeRAM单元成为关键挑战。利用讨论最广泛的平面型FeRAM单元概念，只能达到约10F2 的单元结构大小，其中F(毫微微)是工艺的最小设计工艺尺寸。此外，平面型FeRAM单元的工艺伸缩性有限。
为克服这些缺陷，英飞凌和东芝公司在今年6月夏威夷的VLSI技术研讨会上提出了一种采用新型三维垂直电容结构的创新链式FeRAM单元概念(图4)。这种创新的存储单元具有高度的工艺缩微能力，并支持小至4F2的存储单元结构尺寸。
在研究人员提出的垂直电容器FeRAM存储单元中，存储单元包括一个晶体管和一个铁电电容器，两者并联。晶体管的触点与电容器的垂直电极在相邻单元间共享，因此使单元结构更为紧凑。在本次研讨会上，研究人员给出了这一创新单元结构的第一个有前途的结果。

用于代码和数据闪存产品的110nm NROM
笔记本电脑、数码相机、MP3播放器和PDA等便携式产品的持续发展要求在闪存卡、CompactFlash卡或USB设备等可移动存储器上存储大量数据。针对此类大众存储应用的非易失性存储器是成本驱动的，也就是说，它们需要每bit成本最低的解决方案。由赛芬(Saifun)半导体公司开发的NROM技术可在一个存储单元内存储两个不同的数据位，因此对于成本敏感的产品非常具有吸引力。Infineon的闪存部门最近推出的Twin-Flash产品就基于Saifun这一2位/单元的架构(图5)。NROM单元的原理是在ONO(氧-氮-氧)栅极介电材料中的氮层中局部捕获电荷。

图3 MRAM原理

图4 FeRAM的垂直电容概念
为在110nm工艺下保持小的位结构和较低的工艺复杂性，需要进行概念性的创新。英飞凌提出的新单元结构受益于高级NMOS晶体管的工艺可缩放概念。今年6月，在VLSI技术研讨会上，英飞凌提出的新型NROM设计方法在110nm设计规则下位尺寸仅0.043mm2/bit。这一概念性设计采用主流CMOS型单元器件和一个虚拟地陈列架构。新的技术可同时用于裸片密度达2Gbit的代码闪存和文件存储闪存产品。

在16Gb闪存中探索使FinFET 亚40nm 氧-氮-氧晶体管
浮栅闪存晶体管在缩微至深亚100nm范围工艺尺寸时面临严重的挑战，主要由于为了可靠的电荷保持必须采用厚隧道氧化层。与此相比，电荷捕获存储器器件需要的电压小，具有更良好的工艺缩微性质。
英飞凌公司企业研究部提出了一种适用于超高集成度闪存器件的基于鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor, FinFET)的电荷捕获型存储器技术。这些新的存储器晶体管利用三个栅极门来控制静电隧道，从而可保证其工艺伸缩能力。电荷存储在邻近一个类似鱼鳍状栅极区域的氮捕获层中(图6)。与传统浮栅单元相比，隧道氧化层具有很好的工艺缩微特性，因为捕获层对于单个泄漏路径不敏感。这样，英飞凌研究人员获得了具有30~40nm超短栅极的器件，在NAND型阵列中可支持16Gbit/裸片(die)的密度，与目前的器件相比，密度提高了约10倍。进一步，这一技术并不需要任何新的材料，因此与成熟的CMOS技术完全兼容。