泛林集團(tuán)

從PCRAM和MRAM到RRAM等更多技術(shù)，一系列全新的存儲(chǔ)技術(shù)正不斷涌向晶圓廠。而推動(dòng)這一進(jìn)程的正是游戲和移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，以及云計(jì)算的發(fā)展。這些應(yīng)用都非常重要，它們正在不斷擴(kuò)展當(dāng)今主流存儲(chǔ)技術(shù)的能力。例如，游戲應(yīng)用需要速度極快的主存儲(chǔ)器和高容量的輔助（存儲(chǔ)類）存儲(chǔ)器，從而在用戶渾然不覺的情況下處理數(shù)據(jù)，快速管理海量的圖形數(shù)據(jù)。畢竟，沒人希望在游戲玩到關(guān)鍵時(shí)刻，突然遇到意外的卡頓。對(duì)于云計(jì)算，其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問海量數(shù)據(jù)，而無(wú)需將這些數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在我們的個(gè)人設(shè)備上。同樣，速度也至關(guān)重要，因?yàn)槌潜匾瑳]人愿意多等待哪怕一納秒。

1 縮小存儲(chǔ)差距

正如之前在“你認(rèn)識(shí)的存儲(chǔ)器真的是你認(rèn)識(shí)的存儲(chǔ)器嗎？”一文中所提到的，DRAM和NAND閃存是目前使用最廣泛的技術(shù)，分別用于較快的主存儲(chǔ)器和相對(duì)較慢的存儲(chǔ)類存儲(chǔ)器。為了滿足包括提高存儲(chǔ)速度、容量、功耗以及可擴(kuò)展性這些不斷增長(zhǎng)的性能要求，人們開始探索多種新技術(shù)。這些新的顛覆性存儲(chǔ)技術(shù)中有大部分屬于非易失性技術(shù)，這表示它們無(wú)需耗費(fèi)電能來(lái)保存數(shù)據(jù)，而通常定位于存儲(chǔ)類應(yīng)用。由于它們都是隨機(jī)存取，所以比NAND閃存更快，而后者目前廣泛用于多種存儲(chǔ)應(yīng)用。此外，這些相對(duì)較大的存儲(chǔ)組件可以在芯片的后端制程（BEOL）中構(gòu)建。如此，便可避免在前端制程（FEOL）構(gòu)建晶體管等組件過程中的進(jìn)一步擁堵。因?yàn)楹推渌愋偷拇鎯?chǔ)器相比，它們?cè)诠に嚵鞒讨械牟煌瑢蛹?jí)制造，所以能夠提供巨大的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。如圖1所示。

圖1 不同層級(jí)制造的全新存儲(chǔ)器

2 相變RAM（PCRAM）

因?yàn)镻CRAM（也稱為相變存儲(chǔ)器（PCM））可提供與DRAM（隨機(jī)存取、位可尋址、位可變性）同等的性能，所以人們正考慮將其用于主存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)類應(yīng)用中。PCRAM技術(shù)利用硫?qū)倩衔锊ＡВ℅e2Sb2Te5或GST）在受熱影響下狀態(tài)的改變，即所謂的“相變”屬性。電流通過加熱元件（電阻），讓GST在多晶（低阻抗）和非晶（高阻抗）狀態(tài)間切換。阻抗的不同與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)值（“0”或“1”）相關(guān)。

圖2 相變RAM（PCRAM）基本結(jié)構(gòu)

制造這些器件的過程非常嚴(yán)苛，尤其是刻蝕步驟。GST采用的三種材料（鍺、銻和碲）必須在同一時(shí)間進(jìn)行刻蝕。但是，這三種材料具有不同的刻蝕速率，并且各材料的去除量不同可能會(huì)導(dǎo)致器件的側(cè)壁損壞和剖面凸形。此外，另一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于：在清除刻蝕后GST殘留的同時(shí)，不能造成高深寬比結(jié)構(gòu)崩塌，或者在GST周圍形成厚的氧化層。由于氧化層取代部分導(dǎo)電材料，導(dǎo)致信噪比降低，從而影響到器件的性能。隨著器件尺寸縮小，GST的面積也會(huì)縮小，但受損區(qū)域仍然保持不變（受損區(qū)域所占的比例上升）。最終，由于沒有足夠的GST，從而無(wú)法可靠地檢測(cè)到電信號(hào)。目前，解決這一問題的方案正在緊鑼密鼓的研發(fā)中。

3 磁阻RAM（MRAM）

MRAM的速度和存儲(chǔ)容量使其既適用于主存儲(chǔ)應(yīng)用，也適用于存儲(chǔ)類應(yīng)用。自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM（STT-MRAM）這一種類MRAM已開始獲得人們的關(guān)注。MRAM中的STT利用電子的固有自旋來(lái)降低達(dá)到閾值電壓（激活存儲(chǔ)單元所需的電平）所需的電流，從而節(jié)省能量。對(duì)于緩存應(yīng)用，其速度可與SRAM（靜態(tài)RAM）媲美。除此以外，SRAM體形大，占據(jù)了計(jì)算機(jī)微處理器或中央處理單元（CPU）約50%到80%的空間。MRAM可以集成到BEOL級(jí)別的芯片中，相比集成到FEOL級(jí)別的大型SRAM陣列，它可以提供巨大的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。

MRAM使用磁存儲(chǔ)元件而非傳統(tǒng)的電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元由兩個(gè)磁體組成：一個(gè)是靜止的，一個(gè)可以翻轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個(gè)磁體彼此平行時(shí)，電阻值低；當(dāng)?shù)诙€(gè)磁體翻轉(zhuǎn)并改變方向時(shí)，電阻值高。與PCRAM類似，電阻的變化也與“0”或“1”數(shù)據(jù)值相關(guān)。

圖3 磁阻RAM（MRAM）基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于PCRAM，MRAM器件的刻蝕步驟是整個(gè)制造流程中最具挑戰(zhàn)性的。因?yàn)殡y以與等離子氣形成揮發(fā)性化合物而被去除，鈷鐵（CoFe）和鈷鐵硼（CoFeB）磁層很難刻蝕。因此，這些工藝過程需要利用離子來(lái)轟擊（濺射）晶圓表面，以移除材料。由于殘余物質(zhì)靠近基底部，蝕刻會(huì)形成錐形而非垂直剖面，這會(huì)影響到器件與器件的最小間隔。如果錐形剖面的基部距離過近，則可能出現(xiàn)短路。離子束刻蝕是解決這個(gè)問題的方法之一，它通過傾斜和旋轉(zhuǎn)晶圓來(lái)控制沖擊晶圓表面的離子角度，從而移除準(zhǔn)基座部分的材料。

轉(zhuǎn)換磁體的氧化鎂（MgO）隧道保護(hù)層很容易受到損壞，這進(jìn)一步加劇了問題的復(fù)雜性。而在刻蝕步驟完成之后，立即在保護(hù)層周圍沉積一層材料（“包封”）可以讓它們免受腐蝕，并降低暴露于空氣的程度，從而防止MgO形成不需要的氫氧化鎂（MgOH）。

4 電阻RAM（ReRAM或RRAM）

對(duì)于移動(dòng)電子領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，RRAM被當(dāng)作未來(lái)可替代NAND閃存的對(duì)象來(lái)進(jìn)行研究，后者（NAND閃存）在某些情況下無(wú)法以低成本提供足夠高的存儲(chǔ)容量。RRAM的速度比閃存快，具有隨機(jī)存取和位可變性，是高性能存儲(chǔ)類應(yīng)用的極佳選擇。此外，它在交叉點(diǎn)和3D垂直架構(gòu)上同樣具有優(yōu)勢(shì)，能夠助力實(shí)現(xiàn)更高的位密度（更高的存儲(chǔ)容量）。

與PCRAM類似，RRAM采用阻抗可以在兩個(gè)電極間變化的材料。電場(chǎng)或熱量會(huì)改變材料的離子分布，從而提供了可用作信號(hào)的可測(cè)電阻變化。

圖4 電阻RAM（ReRAM或RRAM）基本結(jié)構(gòu)

和MRAM一樣，RRAM采用了一些需要刻蝕的非揮發(fā)性材料，其中包括碲化亞銅（CuTe）和鍺化亞銅（CuGe）。由于銅基材料不易刻蝕，所以這些設(shè)計(jì)需要替代性的制造解決方案。一種方法是改變其架構(gòu)而使用鑲嵌工藝。鑲嵌方法解決此問題的步驟是：先沉積介電質(zhì)材料，然后對(duì)介電質(zhì)材料進(jìn)行刻蝕。接下來(lái)，沉積銅材料。這種方法避免了銅刻蝕的挑戰(zhàn)。另一個(gè)問題在于，讓高活性材料（例如銅基薄膜）暴露在空氣中會(huì)導(dǎo)致其氧化和屬性變化。對(duì)這些材料中的大多數(shù)而言，控制暴露在空氣中的程度至關(guān)重要，因此這些器件會(huì)和MRAM一樣被包封。

5 顛覆性創(chuàng)新推動(dòng)電子行業(yè)變革

展望未來(lái)，除了這些新型的非易失性存儲(chǔ)類型之外，業(yè)界還在尋找更多方法。由于最新的CPU速度之快已導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸開始阻礙整體的芯片速度，對(duì)于新的解決方案的需求迫在眉睫。要提升速度并降低功耗，一種想法是將存儲(chǔ)器和邏輯器件集成在一顆芯片上，而另一種想法則是設(shè)計(jì)出更加以數(shù)據(jù)為中心的邏輯和存儲(chǔ)器組件架構(gòu)。盡管兩種概念都具有可行性，但仍有許多待解決的設(shè)計(jì)和制造問題。要提高存儲(chǔ)容量，同時(shí)又不影響速度，目前正在研究的一種選擇方案是混合存儲(chǔ)立方體，它通過把DRAM存儲(chǔ)單元放置得足夠靠近來(lái)縮短數(shù)據(jù)傳輸路徑。

圖5 兩種將DRAM存儲(chǔ)器與邏輯器件結(jié)合的設(shè)想

另一個(gè)有趣的領(lǐng)域是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算——讓CPU模擬人腦的功能和其神經(jīng)系統(tǒng)。對(duì)于這一領(lǐng)域，除了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之外，管理能耗非常關(guān)鍵。人腦只需使用約2～20 W，而如今的計(jì)算機(jī)要執(zhí)行類似人腦的功能，則需要約20 000 000 W。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)消耗的電量要少得多，但它只適用于某些活動(dòng)。CPU使用不連續(xù)的“1”或“0”（開或關(guān)）邏輯，這是非常準(zhǔn)確的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值會(huì)被放大，并且需要在準(zhǔn)確度達(dá)到約75%或80%時(shí)，信號(hào)才能被識(shí)別。所以，這一領(lǐng)域仍然有局限，需要進(jìn)一步探索。

通過創(chuàng)新，計(jì)算領(lǐng)域和大量相關(guān)的支持存儲(chǔ)設(shè)備在不久的將來(lái)以不同的方式運(yùn)行。幸運(yùn)的是，對(duì)于我們這些喜愛和依賴電子產(chǎn)品的人而言，我們可能只需要關(guān)注到這些革命性的變化能夠帶來(lái)的超快速度和強(qiáng)大功能體驗(yàn)。