特約通訊員周祺

科技產業(yè)發(fā)展主軸從PC轉到移動終端，半導體存儲技術不論在應用還是價值方面都發(fā)生了引人注目的變化。此變化歸因于消費者對移動產品需求的轉變，從而激發(fā)了對新的存儲技術的需求和興趣。

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

種種跡象表明非揮發(fā)性存儲技術是這一新的應用中成長最快的技術之一，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，延長能源設備的續(xù)航時間。非揮發(fā)性存儲技術逐步替代DRAM也不過是這幾年的事。這一替代主要是由OEM廠商所推動，目的是減少某些應用中與存儲相關的能源消耗，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)性存儲技術帶來的性能不斷擴大的技術背景下如何識別和尋找新機會的縮影。

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

移動市場

圖1 移動數(shù)據(jù)應用的爆炸性增長

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

圖1反映了這一細分市場的爆炸性增長，這只是一個保守的評估。Convergent Semiconductors，一家專注于半導體市場轉型及戰(zhàn)略分析的研究機構，認為隨著全球經(jīng)濟的平穩(wěn)復蘇，以及新興經(jīng)濟體國家新市場的發(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品，如智能手機、平板電腦、電子閱讀器等，其6年復合年均增長率達39%。這些產品家族都屬于移動轉型機遇的一部分，在全球半導體市場掙扎求存的2009年，這些移動產品增長卻高達138%。2011年，Convergent Semiconductors曾提出預期增長超過33%，并預計到2016年每年增速將保持35%以上。以上的統(tǒng)計只是針對純設備的，還沒有包含產品攜帶的應用軟件銷售所帶來更加可觀的收益增長在內。

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

值得考慮的是雖然移動應用是DRAM應用中增長速度最快的細分領域，但移動應用并不單純由現(xiàn)有的DRAM技術所推動。移動應用是實現(xiàn)從DRAM到非揮發(fā)性存儲技術轉型的一個窗口。內存子系統(tǒng)的價值將會在向移動系統(tǒng)設計轉變的過程中得到增強。廣泛的移動應用將推動半導體技術的發(fā)展，設計者會將不同的內存子系統(tǒng)根據(jù)地域、價格、性能的不同應用到差異性的產品中。

面向移動時代的非揮發(fā)性存儲技術

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，使業(yè)界標準技術被淘汰出局，并擴大了閃存技術的應用領域。業(yè)內廣泛接受的觀點是，任何一項技術如果取得成功，就會在未來十年內變?yōu)楫a品。目前，業(yè)界對兩大類全新的非揮發(fā)性存儲器進行了可行性調研，其中一類是基于無機材料的存儲器技術，如導電橋接存儲器（CBRAM）、鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)或相變存儲器(PCM)，另一類存儲器技術則基于有機材料，鐵電或導電開關聚合物。

在目前已調研的兩大類新的非揮發(fā)性存儲器技術中，基于鐵電或導電開關聚合體的有機材料的存儲器技術還不成熟，處于研發(fā)階段。某些從事這類存儲器材料研究的研發(fā)小組開始認為，這個概念永遠都不會變成真正的產品。事實上，使這些概念符合標準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)界對基于無機材料的新非揮發(fā)性存儲器概念的調研時間比較長，并在過去幾年發(fā)布了幾個產品原型。

導電橋接存儲器（CBRAM）

圖3 FeRAM單元架構方案

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開發(fā)的一種非揮發(fā)存儲技術。最早推出CBRAM的公司是Adesto。2010年的非揮發(fā)性內存研討會上，Adesto宣布了以PMC技術為基礎的130nm工藝制造的CBRAM。此CBRAM存儲器件保持時間可達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構，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器件的結構是金屬/固態(tài)電解質/金屬的三層結構。CBRAM單元的其中一個電極選用具有電化學活性的金屬材料，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器件結構示意圖

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CBRAM的應用前景將非?？捎^。

鐵電存儲器(FeRAM)

早在上個世紀90年代就出現(xiàn)了FeRAM技術概念。雖然在研究過程出現(xiàn)過很多與新材料和制造模塊有關的技術難題，但是，經(jīng)過十年的努力，即便固有的制程縮小限制，技術節(jié)點遠遠高于閃存，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單元結構（如圖3所示），這些結構屬于兩種方法體系，一種是把鐵電材料集成到一個單獨的存儲元件內，即鐵電電容器內（在雙晶體管/雙電容(2T2C)和單晶體管/單電容(1T1C)兩種元件內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，即鐵電場效應晶體管內。所有的FeRAM架構都具有訪存速度快和真證的隨機訪問所有存儲單元的優(yōu)點。今天，F(xiàn)eRAM技術研發(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(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)。這些技術是利用隧道結與磁阻材料整合產生的特殊效應：當施加一個磁場時，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固有的寫操作電流過高和技術節(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移矩RAM(SPRAM)解決方案，這項創(chuàng)新技術是利用自旋轉換矩引起的電流感應式開關效應。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制程的產品。

相變存儲器(PCM)

圖4 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構

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構由一個晶體管和一個電阻構成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應對單元進行寫操作，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。雖然這項技術最早可追溯到上個世紀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備取得商業(yè)成功，也促進了人們發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的相變材料結構的研究活動），相變存儲器證明其具有達到制造成熟度的能力。從應用角度看，PCM特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設備的存儲器系統(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)結構以外的全部數(shù)據(jù)結構，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；計算機平臺可利用其非揮發(fā)性。

PCM技術研發(fā)正沿著不同的路線并行前進。主流的開發(fā)路線將是采用BJT選定的單元，沿著光刻技術發(fā)展路線，縮小現(xiàn)有技術架構，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域，因為這可能會開創(chuàng)全新的應用領域；結晶速度極快或結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)性存儲器當中，上述幾項非揮發(fā)性存儲技術都具備了進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。未來，隨著現(xiàn)有技術的不斷成熟，技術節(jié)點縮小能力的不斷增強，以及新材料和新架構應用范圍的進一步擴大，這一切為非揮發(fā)性存儲器技術未來十年在存儲器市場發(fā)揮重要作用鋪平了道路。