前瞻布局,新一代存储器盼突破

来源:电子发烧友网原创 作者:邢生玉2017年07月17日 07:40

导读:虽然我国在传统存储器布局落后很多,但在下一代存储器技术早已战略布局。几年前更有二十几位中科院院士联名支持发展磁变存储器(MRAM),我国科研力量在未来存储器的产业技术竞争会扮演相当重要的角色。

物联网发展热潮将推升存储器需求。行动装置、汽车、工业等机器对机器(M2M)装置对固态硬盘需求持续攀升,加上嵌入式系统因应大数据资料来临,对存储器容量的要求也翻倍成长,这些都可望带动各种嵌入式存储器出货量一路长红。但以海量数据存储为主要载体的物联网对存储器提出了低成本、低功耗、高容量、高速度、高可靠性的要求。寻找一种最具有竞争力和发展潜力的非挥发性存储器,紧迫且意义重大。

对于信息存储产品的性能有了更高要求后,迫切需要在存储材料和技术方面取得突破。在这些需求的驱动下,相继出现了一些新型非易失存储器,如铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁变存储器(MRAM)、阻变存储器(RRAM)。

磁变存储器(MRAM)是一种非挥发性存储器技术,也就是当电流关掉,所储存的资料并不会消失的存储器。磁变存储器最有潜力的代表是自旋转移力矩磁变存储器(STT MRAM)。既有动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)的高性能,又能兼顾闪存的低功耗优势。存储单元主体为磁性隧道结(MTJ),有上下两层磁性材料(如:钴铁合金)和中间的绝缘夹层(如:氧化镁)所组成。其中一层为固定磁性层,另一层为自由磁性层。工作原理是由磁场调制上下两层磁性层的磁化方向成为平行或反平行,从而建立两个阻值各异的稳定状态。

磁变存储器(MRAM)自1990年代开始发展,这项技术在学理上的存取速度接近SRAM,具快闪存储器的非挥发性特性,在容量密度及使用寿命上也不输给DRAM,平均能耗远低于DRAM,未来极具成为真正通用型存储器潜力。但由于采用了大量的新材料、新结构,量产难度极大。

前瞻布局,新一代存储器盼突破

相变存储器(PRAM)可在芯片供电中断时保存数据,与普通闪存的工作原理相同。但PRAM写入数据的速度要比快闪存储器快30倍,其寿命周期也将至少提高十倍。

相变存储器是基于材料相变引起电阻变化的存储器。结构上有电阻加热器和相变层所组成。通入重置(RESET)写电流后,电阻加热器使得相变层温度迅速升高,在达到相变层熔点后较短时间内,关闭写电流,使得材料快速冷却,此时固定在非晶态,为高阻态。为了使相变层材料重新回到晶态,需要通入设置(SET)电流,相变层需要被加热到结晶温度和熔化温度之间,使得晶核和微晶快速生长。目前相变层材料的研究集中在GST系合金。由于重置写电流较大,相变存储器的功耗较高,另外写电流时间较长,写速度较慢。寻找新型相变材料来降低写电流,同时加快写速度和减少热扰动成为急需解决的难题。

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阻变存储器(RRAM)同样是一种新型的非挥发性存储器,其优点在于消耗电力较NAND低,且写入资讯速度比NAND快闪存储器快了1万倍。

阻变存储器作为最重要的下一代新型存储器,近十几年来受到高度关注。阻变存储器具有结构简单、高速、低功耗和易于三维集成等优点。存储单元结构为上电极和下电极之间的电阻变化层。根据电阻变化层的材料,阻变存储器可分为氧化物阻变存储器和导电桥接存储器。前者研究较为广泛,国际上已有数家公司展示了原型产品。

前瞻布局,新一代存储器盼突破

新一代存储器道阻且长

事实上,磁变存储器(MRAM)、阻变存储器(RRAM)与相变存储器(PRAM)等技术并非近年来的产物,早在1990年代,就有厂商开始投入研发,而促使新世代存储器发展在近年来露出曙光的原因,正是进入高速运算时代,存储器技术演进速度出现跟不上系统效能演进速度所导致。

1995年摩托罗拉公司演示了第一个MRAM芯片,并生产出了1MB的芯片原型。

2007年,磁记录产业巨头IBM公司和TDK公司合作开发新一代MRAM,使用了一种称为自旋扭矩转换(spin-torque-transfer , STT)的新型技术,利用放大了的隧道效应(tunnel effect),使得磁致电阻的变化达到了1倍左右。TDK于2014年首次展出了自旋转移力矩磁变存储器的原型,容量为8Mb,读写速度是当时NOR的7倍多(342MB/sVS48MB/s)。

Everspin是目前唯一一家出售此类产品的公司,去年开始可以提供密度高达256Mb的磁变存储器样品。

前瞻布局,新一代存储器盼突破

2000年以来,Intel、美光、ST都致力于相变存储器的研发,美光于2012年宣布1Gb和512Mb的相变内存的首次量产,但是可能替代闪存的大容量相变存储器由于各种技术原因,目前尚未问世。

2013年,松下发布了世界上第一个用于嵌入式应用的阻变存储器。它集成了一个180nm的阻变存储器器件和一个8位控制器。

2015年初,Crossbar(美国)宣布其阻变存储器开始进入商业化阶段,初期准备面向嵌入式市场,同时正加速进行容量更大的下一代阻变存储器研发,预计于2017年面世。目前Crossbar 阻变存储器已经制备了40nm产品并已经向2x nm迈进,实现更高密度和更紧密集成的的器件。

美光和索尼也在开展阻变存储器的联合研发。从2007年起,每年半导体邻域的几个重要国际会议(如IEDM和VLSI)均会报道最新的研发进展。2014年美光公布了27nm基于CMOS工艺制造的单颗容量16Gb阻变存储器原型,但目前距离量产仍有较大距离。大规模量产的最大挑战是实现较好的均匀性,提高产品良率和可靠性。另外,多位存储的要求对电阻变化层的材料也提出了严峻的考验。大规模提高阻变存储器容量,需要材料和结构的进一步优化和创新。

半导体巨头下注新一代存储器

除了高速运算与数据中心的储存需求以外,物联网需要的非挥发性存储器,也就是即时资料储存需求,牵涉到物联网需要低能耗、数据耐久度高、每次写入或存储的资料单位小等层面。

全球半导体巨擘正在下一代新型存储器市场展开强力竞争,这很可能全面改变半导体市场的发展前景,并成为未来半导体代工的主要业务之一。

虽然磁变存储器(MRAM)在先前的技术节点展现了非挥发性、高可靠性以及可制造性,磁变存储器在长期看来会是较受欢迎的技术。但在微缩至2x nm节点以及相容嵌入式存储器的后段制程(BEOL)温度时开始面临挑战。

阻变存储器(RRAM)和磁变存储器(MRAM)具有类似的功能,二者都是后段校准的存储器,因而能更易于落实于逻辑制程中。RRAM的堆叠更简单,因为在电极之间所需的材料较少。而且它并不需要像MRAM一样的设备投资。

虽然阻变存储器和相变存储器等其他类型的存储器也都有其支持者,但这些存储器都存在着微缩的问题,难以因应28nm CMOS制程的要求。

三星电子正大力发展MRAM存储器,而另一半导体巨擘英特尔则是强攻含3D XPoint技术的PRAM型存储器。台积电目前已具备「量产」MRAM及阻变存储器(RRAM)等新型存储器之技术。

嵌入式存储器在半导体芯片中的作用非常重要,它向整个芯片提供的可互用特性决定了整个芯片的效率、速度和性能。只有设计方法可靠,才能设计出优良的存储器。

目前三星电子正大力发展eMRAM存储器,三星的28nm FD-SOI(Fully Depleted Silicon on Insulator)制程有eMRAM 的选项,其中eMRAM的风险生产为2018年;而18nm的FD-SOI制程的风险生产将始于2020年,也有eMRAM的选项。欧洲最大半导体厂商-恩智浦半导体已经决定采用三星电子的eMRAM存储器,以应用在相关的物联网装置之上。

台积电发布在2018年下半年于28nm制程中生产eMRAM。而GlobalFoundries也发布,计划在2017年于22nm FD-SOI制程上提供eMRAM,2018年进入量产。

我国战略布局新一代存储器

虽然我国在传统存储器布局落后很多,但在下一代技术存储器早已战略布局。几年前更有二十几位中科院院士联名支持发展MRAM。我国科研力量在未来存储器的产业技术竞争会扮演相当重要的角色。

中科院上海微系统所就与中芯国际共同组建了研究团队,搭建起8至12英寸相变存储研发平台,并建立了一套完整的芯片开发组织和技术推进管理制度。2011年8月31日,首次完成我国第一批基于8Mb相变存储器的产品芯片。目前由该所研发的国际领先的嵌入式相变存储器现已成功应用在打印机领域,并实现千万量级市场化销售。

中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心研究员赵超与北京航空航天大学教授赵巍胜的联合团队通过3年的艰苦攻关,在STT-MRAM关键工艺技术研究上实现了重要突破,在国内首次采用可兼容CMOS工艺成功制备出直径80nm磁隧道结,器件性能良好,其中器件核心参数包括隧穿磁阻效应达到92%,可实现纯电流翻转且电流密度达到国际领先水平。

我国目前有两家MRAM公司,上海磁宇以及中电海康。今年一月,中电海康位于临安的存储芯片MRAM研发及小规模试产中试基地专案开工,投资金额为13亿人民币,占地50亩,计划今年9月投用;中试运营成功稳定后,将弥补国内在新一代存储芯片MRAM领域产业化的空白。

小结:磁变存储器(MRAM)等下一代存储器,虽然短期内不太可能取代现有的存储器,但我们在这些技术研发上再不能错过机遇。我国已在下一代技术存储器的战略布局,使得我们未来可以参与到新一代存储器竞争行列中,避免国外厂商的全面垄断。

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