在「中國通信積體電路技術與應用研討會暨第二屆晉江國際積體電路產業發展高峰論壇」上,中國科學院微電子研究所研究員、博士生導師、中國科學院微電子元件與整合技術重點實驗室主任劉明,發表了題為「記憶體技術發展態勢和機遇」的主題演講。演講中談到了8種記憶體(5種傳統+3種新型),並介紹傳統記憶體的製程和封裝技術發展,以及新型感測器的原理和優缺點。

記憶體新分類:基於電荷和基於電阻

記憶體分為揮發性和非揮發性兩大類。當今,揮發性記憶體最重要的兩類是靜態隨機存取記憶體(SRAM)和動態隨機存取記憶體(DRAM);非揮發性記憶體的種類很多,市場佔比最大的是快閃記憶體(FLASH),其他的還有矽-氧化物-氮化物-氧化物-矽(SONOS)、鐵電隨機存取記憶體(FRAM)、相變化隨機存取記憶體(PRAM)、磁阻式隨存取記憶體(MRAM)和可變電阻式隨機存取記憶體(RRAM)等。此外,SRAM、DRAM、FLASH、SONOS和FRAM這五種是基於電荷的記憶體,這類記憶體本質上是透過電容的充放電實現;而PRAM、MRAM和RRAM則是基於電阻的轉變實現。

20170911NT02P1 圖1 記憶體的分類。

觀察記憶體的兩大發展方向:製程和封裝

記憶體在整個半導體產業中佔據極重要的地位。DRAM和NAND Flash在記憶體領域的佔比也已超過90%。

從技術角度看,伴隨著半導體技術的快速發展,DRAM發展非常迅速——密度越來越高,從8F2(特徵尺寸)到4F2。所有主流DRAM的生產都已進入20奈米(nm)以下節點。

除了製程不斷縮小以外,封裝技術也為DRAM的發展提供另外一條途徑,比如高頻寬記憶體(HBM)和混合記憶體立方體(HMC)這兩種技術。

對於NAND來說,其正從2D NAND向3D NAND發展。3D NAND從2014年開始進入市場,三星(Samsung)在其中提供很大的推動力,而東芝(Toshiba)則在早期提出了很多很有意義的架構。WD/Sandisk和三星都有了64層/512Gb的3D NAND產品,只是性能和良率有所差別。

新型記憶體技術:MRAM、PRAM和RRAM

再來看新型的記憶體。

MRAM:MRAM和前述記憶體概念完全不同。其基本結構是磁性隧道結,即底下一層薄膜是鐵磁材料(釘扎層),其磁自旋方向固定;中間一層是隧穿層;上面一層是自由層,其自旋方向可以在外加應力的情況下改變。如果自由層的自旋方向和釘扎層的自旋方向一致,則隧道層處在低電阻的狀態;反之則處於高電阻狀態。因此,MRAM是利用這種磁性隧道結的電阻變化達到儲存。

傳統的MRAM和STT-MRAM是MRAM中最重要的兩大類,前者採用磁場驅動,後者採用自旋極化電流驅動。對於傳統的MRAM,由於在半導體元件中本身無法引入磁場,需要導入大電流來產生磁場,因而需要在結構中增加旁路。因此,這種結構功耗較大,而且也很難進行高密度整合(通常只有20~30F2)。若採用極化電流驅動,即STT-MRAM,則不需要增加旁路,因此功耗可以降低,整合度也可以大幅提高。

MRAM的研發難度很高,其中涉及非常多的物理學,磁性隧道結看似簡單實則相當複雜。在這個結構中,很多材料都是在幾nm,特別是對於MgO隧道層,要求只有1.3nm,並且是要完美的單晶。另外,要想保持時間長,則需要增加功耗,因此需要權衡。

PRAM:另一類新型記憶體是PRAM。它也是一種三明治的結構。中間是相變層(和光碟材料一樣,GST),這種材料的一個特性是會在晶化(低阻態)和非晶化(高阻態)之間轉變,即利用這個高低阻態的變化來做到儲存。

PRAM目前發展到了另外一個領域——英特爾(Intel)和美光(Micron)2015年聯合推出了3D Xpoint技術。3D Xpoint技術的儲存單元的確是PRAM,但它找到了一種合適的選擇管,即1R1D的結構,而不是1R1T結構——這和三星的方向完全不同。

3D Xpoint技術在非動態記憶體領域實現了革命性突破。雖然其速度略微比DRAM慢,但其容量卻比DRAM高,還比FLASH快1,000倍。因此它填補了很大一個空白。3D Xpoint採用堆疊結構,目前一般是兩層結構,這有好處,但也有明顯缺點——堆疊層數越多,需要的掩範本個數就越多,而在整個IC製造工業中,掩範本佔了成本的最大比重。因此,從製造的角度來說,要想實現幾十層的3D堆疊結構非常困難。

RRAM:RRAM看上去和PRAM相類似,只是中間的轉變層的原理不同。相變化是材料在晶態和非晶態之間轉變;而可變電阻式是透過在材料中形成和斷開細絲(filament,即導電通路)來探測結構的高低阻態。

RRAM相比MRAM和PRAM,研究稍晚。主流記憶體廠商也紛紛投入資源,開始對RRAM展開研究,RRAM也已經由實驗室階段進入到企業的研發階段。

從容量上來看這三類新型記憶體:MRAM最高達4Gb;PRAM最高達8Gb;RRAM最高達32Gb。它們和FLASH相比,容量差別還很大,但是不要忘記,這三者的讀寫速度都比FLASH要快1,000倍以上。