前沿存储器技术向埃米级设计发展

随着SRAM、DRAM和闪存有朝一日没落,所有竞争的存储器芯片技术都将面临一场抢占制高点的战役。目前,处于不同发展阶段的各种其它类型存储器正在背地里暗暗较劲。

例如,Ramtron国际公司的铁电RAM(FRAM)已经进入批量生产阶段,其它公司的FRAM也已接近商品化水平。除了FRAM,还有众多令人眼花缭乱的竞争技术,其中一些技术仍处于基础研究阶段,但都致力于把设计尺寸缩小到埃米(1埃米等于十分之一纳米)级别。这些技术包括磁隧道结RAM(MRAM)、相变RAM(PRAM)、纳米线/纳米管设计和分子存储器。

然而,无论哪种技术,要想获得发展动力可能都要追随Ramtron公司的脚步:在持续进行长期研究的同时寻找一个有发展潜力的市场空间,最后在某一天赶上DRAM和闪存。

图1:嵌入式FRAM

“如果你展望未来的5年,更新颖或更有发展前途的技术将有时间证明它们的能力,并开始出现在主流市场上。”Denali软件公司分析师Lane Mason说,“今天,FRAM和硫族相变存储器技术已经在一些领域得到使用,但应用范围还很窄,尚未进入被硅芯片占据的主流市场。”Denali是一家位于加州的EDA软件和存储器架构IP内核供应商。

“上述任何一种技术要取得成功,都必须找到自己的市场。”Mason说,“至于要在10年内用它们替代硅芯片,现在看来这只是一厢情愿的想法。”

FRAM使用铁电晶体材料(通常是氧化物),其特点是无需借助外部电场就可以永久切换电偶极子力矩(代表极性分子的极性大小)。因而,这种存储器是非易失性的。大块的铁电材料会自然形成纳米级偶极子。目前,在实验室中已经可以在直径只有几个纳米的被称为量子点(quantum dot)的区域中对这些偶极子进行电切换。Celis半导体、Hynix、Macronix、英飞凌、Ramtron、三星、三洋、TI和东芝公司都在进行FRAM研究。

理论上,使用量子点作为存储单元的FRAM具有潜力创造出令人难以置信的存储密度。例如,阿肯色州大学教授Huaxiang Fu和Laurent Bellaiche最近给出的仿真结果表明,通过把5纳米的铁电量子点产生的小磁漩涡“拆开”,可以用于表达比特。

从实验室到生产线

“我们已经在进行批量生产,每季度发货量达到数百万片,但我们吸引的主要是那些需要闪存无法提供的特殊性能的应用。”Ramtron公司副总裁Mike Alwais说,“这些新技术所面临的制造挑战被低估了。它实际比看起来要困难得多。”

为了生存,Ramtron公司找到了一个小型市场以使其研发努力能够维持下去。目前,该公司发送的大部分产品直接替代SRAM被应用于安装有后备电池的数据采集设备。Ramtron公司的最新芯片是一款1Mb的FRAM,它能够以插件方式替代类似尺寸的SRAM。该器件的设计尺寸已经缩小到0.13微米节点,年内将推出样片,另外,90纳米器件的设计工作已经完成,而65纳米器件也在规划之中。

该公司对FRAM的长期成功寄予了很高的希望,甚至超过闪存。“由于它不需要使用非常薄的氧化物或高电压,我们的客户相信FRAM在先进的节点(65纳米或更小)上能够比闪存更容易缩小尺寸,”Alwais说。

TI公司已经从Ramtron公司获得FRAM技术的许可,以便降低非易失性嵌入式存储器的成本。例如,在被嵌入一颗芯片时,FRAM只要求额外增加两个掩膜层,而嵌入式闪存可能需要多达9个掩膜层。目前,Ramtron公司选择富士通公司作为其代工厂,但TI也很快将利用Ramtron的FRAM技术进行生产。这两家合作伙伴正在使用0.13微米设计规则开发一款独立的4Mb FRAM,TI将把它用作其DSP的内核,而Ramtron将把它作为一种独立芯片来销售。按计划,其样片将在今年底面市。

“嵌入式FRAM在需要低功率非易失性存储器的场合具有重要意义,”TI公司负责FRAM的项目经理Ted Moise说,“它能够以一种更直接的方式嵌入在芯片中,而且具有比其它任何替代品更好的性能。”

TI公司指出,嵌入式闪存的问题在于驱动18伏可编程脉冲(用于写入和擦除比特单元)所必需的开销电路。

“闪存的存储单元尺寸非常小,但除非你需要嵌入大量存储器,否则嵌入式闪存没有多大意义,”Moise说,“这是因为你需要与闪存相配的辅助电路来处理高电压。如果你的嵌入式芯片(如微控制器)仅需要几兆比特的存储器,那么考虑到辅助电路的开销,使用闪存就没有多大意义。”

TI公司希望在今年底开始试生产4Mb的独立FRAM芯片,但在2006年底或2007年以前,该公司不打算把FRAM加入到其任何一款嵌入式芯片中。

MRAM-另一种有前途的技术

除FRAM之外,另一种有前途的技术是MRAM。MRAM在三明治结构的磁隧道结中存储比特,这种三明治结构包含一个固定磁层、一个氧化物隧道隔层和一个自由磁层。两个金属电极使自由层在两个磁极状态之间进行切换。状态是通过检测阻值的变化来读出的。

Altis半导体(IBM和英飞凌的一家联盟公司)、Freescale、NEC、东芝、三星和索尼等公司已经对MRAM进行了多年的研究。其中几家公司已宣布成功开发出最高容量为128kb的实验芯片,而Cypress半导体公司实现了密度高达256kb的芯片。不过,Cypress最近表示它将剥离为实现MRAM商品化而创立的子公司Silicon Magnetic Systems。

另外,NVE公司也在收缩阵线。NVE最近透露,该公司已放弃销售独立MRAM器件的努力。现在,该公司将仅销售其256kb MRAM设计的IP。“MRAM具有读写速度快、密度高的优点,现在你可以在许多制造商的库中得到MRAM单元,”Denali公司的Mason说,“MRAM面临的问题是寿命短、耐久性和可重复性差。”

Mason表示,他对Cypress放弃MRAM竞争感到非常失望。对于MRAM和PRAM,他说:“半导体行业在硅芯片方面已经积累的许多知识是可以转移的,所以它们并不一定是你死我活的关系。但我们仍很难想象MRAM可以在DRAM或闪存之外树立市场地位。”

Freescale公司正在试产一款4Mb MRAM,并宣称该器件达到了它的所有预期指标,还有可能在2006年被客户选用。Freescale在日本京都举行的VLSI研讨会上展示了如何把其MRAM缩小到90纳米节点。

“我们正在进行试生产,各项性能指标均满足要求,” 该公司MRAM技术部总监Saied Tehrani表示,“它具有35纳秒的读写周期和无限长的耐久时间。该产品比闪存更快,但密度稍低。它更容易集成(在整个工艺只需要5个掩膜层),所以你不必像使用闪存那样在晶体管级进行重新设计。在设计中采用的所有其它内核技术都可以保持不变,并以相同的方式工作。”

图2:图A为纳米晶体存储器单元在透射电子显微镜(TEM)下的横截面,当经过放大和能量过滤后,可以看到一个直径为4.2nm的纳米晶体嵌入在硅氧化层中(图B)；图C为在扫描电子显微镜(SEM)下显示的沉积纳米晶体。

Freescale公司现正对其4Mb MRAM的样品进行性能评价。为了确保其满足长期质量目标,该产品是在一个标准CMOS生产线上制造的。“这样我们就可以避免现场缺陷,”Tehrani说,“我们还在设计一种置于裸片上面的磁屏蔽层,以保证MRAM不会被外部磁场擦除。然后,我们的目标是达到一个有竞争力的价格点。”

从长远发展来看,Freescale公司认为,MRAM可以在先进节点上挑战闪存的地位。“我们将证明MRAM比闪存更容易缩小尺寸,”Tehrani说,“我们的数据表明MRAM比特单元可以缩小到65纳米节点,而且很可能可以进一步缩小。”

Freescale公司指出,MRAM面临的最大障碍是在切换单元的磁极性时需消耗大量的电流。因而,它需要使用过大的驱动晶体管来实现写入。“缩小驱动晶体管是我们需要面对的挑战之一,”Tehrani说。

前进中的PRAM

相变存储器(也称为奥弗辛斯基效应或硫族化物存储器)在商业潜力上可能仅次于MRAM。包括Elpida 存储器公司、英特尔、飞利浦、三星和意法半导体在内的多家电子巨头已经向PRAM技术投入了研发资金。

与可刻录DVD一样,非易失性相变存储器的单元会从非晶态转化到晶体状态。DVD使用激光器来加热材料,以便它在非晶态和晶体状态之间进行切换,并读出由此导致的反射率变化。在芯片中,这项工作由电流来完成。通过加热一个由掺杂硫族化物组成的薄膜,该电流可以使存储单元在以下两种状态进行切换:阻性非晶态(或称为复位状态)和导性晶体状态(或称为置位状态)。

PRAM通常使用掺杂了碲化锑或碲化锗的硫族化物来制造。单元的状态通过测量电阻的变化以电子方式读出。英特尔、意法半导体和Elpida公司已经在研究用于非易失性存储器的相变材料,所有这些公司都从Ovonyx公司得到了技术使用许可。Ovonyx公司使用碲化锑和碲化锗组成的硫族化物合金作为相变材料。

迄今为止,相对于FRAM和MRAM,PRAM的良品率和可靠性还比较低,但依靠三星、英特尔和飞利浦针对该问题而拟定的庞大研发预算可能可以找到解决方案。三星电子公司已经展示了一种可以提高可靠性的“差分”PRAM架构,它采用一个晶体单元和一个非晶单元的组合来表示1位。德国的英飞凌技术公司已经展出了实验性的有机PRAM,而台湾的Macronix国际公司也展出了PRAM和相关的阻性RAM(RRAM)。

在FRAM、MRAM和PRAM之后,器件特征尺寸将向埃米级发展。在这个领域的候选技术包括从纳米线制造出的晶体管沟道、带自我生长(grown-in-place)的纳米管晶体管沟道的存储器、纳米级微机电系统(MEMS)和基于单分子(埃级)晶体管单元的存储器。

具有超小纳米级特性(如以2纳米宽的纳米线阵列作为晶体管沟道)的预模式化晶圆已经面世。哈佛大学教授Charles Lieber最近展示了一种预模式化芯片,并解释了他的技术如何可以回避硅路线图的尺寸收缩问题。

不同于不断收缩硅设计尺寸来实现更高速度的方法,Lieber相信,一个更好的策略是让设计尺寸保持不变,而通过设计更好的纳米线(用于实现晶圆的预模式化)来增加速度。

曾从事纳米管研究的Lieber教授现在是硅纳米线的支持者。除具有纳米管的电子迁移能力之外,硅纳米线在高温和低温条件下都可以进行处理而且不需要昂贵的单晶硅基底。Lieber展示了基于纳米线的环形振荡器,它比目前的集成有机半导体快20倍并有希望提升到CMOS的速度,而且是在便宜的塑料基底上。

另一个潜在的突破是使用纳米管作为晶体管沟道。Case Western大学教授Massood Tabib-Azar展示了在硅芯片上如何在由平板光刻方法产生的电极之间生长碳纳米管的方法。这种纳米管可以在晶圆上进行自校准并在生长过程中进行自焊接,因此可以用平板光刻方法制造纳米级无沟道晶体管,然后使用化学气相沉积方法生长出微小的纳米管沟道。这种基于纳米管的晶圆可以运行在标准的CMOS生产线上,Tabib-Azar说。

IBM公司和许多其它组织以前已经对纳米管和纳米线晶体管进行了实验研究,结果表明它们的电子迁移能力甚至比最先进的硅晶体管设计还要高得多。IBM还展示了只有10个原子宽度的纳米管晶体管,比目前的硅晶体管小500倍。

遗憾的是,由于没有简单方法可以把电极连接到直径为15埃米的纳米管上,IBM只能使用原子力显微镜一次一个地测试它们。不过,研究者们相信,借助新的技术来预模式化晶圆或生长纳米管,业界有可能利用纳米管或纳米线把传统的硅发展路线图扩展到埃级水平。如果哈佛大学的Lieber教授是正确的,通过不断开发出电子迁移能力更高的纳米线和纳米管,硅路线图甚至不必无止尽地收缩尺寸就可以得到进一步的扩展。

IBM也展示了基于MEMS的存储器,它通过改变纳米级机械状态来存储比特位。例如,IBM开发了一种在1平方英寸上存储一万亿比特数据的Tb存储器原型。这种被称为Millipede的非易失性存储器准确地把一个涂覆了聚合体薄膜的硅基底移动到1024路并行激活、直径为20纳米、采用硅蚀刻技术制造的读写头下。它通过加热读写头进而融解其下面的聚合物的方式来标记比特位。

从事Millipede项目研究的诺贝尔奖获得者Gerd Beinnig预测,IBM的纳米级机械存储器方法可以使数据存储密度再提高一千倍,进而在未来的十年内产生15GB的芯片。

在更小的尺寸级别,一些实验室正在研究使用单独原子形成埃级晶体管单元的分子存储器。例如,新兴的ZettaCore公司专注于开发由北卡罗莱纳州立大学教授Jonathan Lindsey发明的分子存储器。

Lindsey最近证明分子存储器具有比DRAM高几个量级的电荷保持时间(分钟Vs毫秒),单独分子可以承受硅制造过程的极限温度(400摄氏度),而且分子存储器可以承受多达万亿次的读写周期。

作者:罗克玲