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記憶體/儲存  

適用於更低製程節點的新興記憶體技術

上網時間: 2008年08月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:記憶體  浮動閘極  相變記憶體 

許多應用在電源關斷之後,都必須將資料存檔或保留系統資訊。這些任務就落到了至少可在電路內一次或數次寫入的非揮發性(NV)記憶體上。隨著製程技術的微縮,包括NV記憶體等傳統上使用浮動閘極資料儲存的技術正面臨著越來越多的挑戰,顯示出目前勢必發展出其它新興儲存技術來取代。

可在電路內寫入的NV記憶體涵蓋多種應用。在消費電子領域,NV記憶體用於儲存用戶的資料與喜好設定、以及照片和媒體檔案。在嵌入式系統中,NV記憶體還適用於儲存配置參數、校準資料,以及用於啟動重設的系統狀態資訊。在幾乎所有需要下載應用軟體或更新系統軟體(而不更換元件)的應用中,NV記憶體都可作為可改寫程式的儲存設備。

大多數NV記憶體的核心技術是浮動閘極。場效電晶體(FET)閘極上的電荷數量決定其傳導電流的能力。浮動閘極電晶體有兩個閘極:一個與電路相連接(與其它FET一樣),但另一個在電氣上則與電路隔離(浮動),因而使得此一閘極上保留的電荷可永遠存在。電流不會在正常的電路運作時流到浮動閘極,但高電壓則可以擊穿閘極周圍的絕緣層而形成電荷穿隧作用,使電子移入或流出該閘極。由於浮動閘極所具有的電荷可反映出所儲存的數據值,因而使得浮動閘極電晶體可用以作為一種記憶體元件。

自從該技術問世之後,該領域已經產生了許多使用浮動閘極的記憶體元件種類,其中包括E2PROM和快閃記憶體。

然而,隨著半導體製程不斷地朝向更小的微影尺寸演進,浮動閘極技術正面臨一些問題。“製造商們正持續推動浮閘技術可達到的極限,同時,他們也正尋求替代方案,”記憶體製造商Spansion公司行銷總監John Nation說。

浮動閘極所面臨的一個挑戰是必須與周圍電路隔離。隨著電路尺寸縮小,閘極周圍的絕緣層也必須縮小。這導致絕緣層上各記憶體位元與微小針孔狀的製程缺陷之間,形成越來越多的電容器耦合,因而產生一個放電通道。

因微影製程尺寸微縮而產生的第二項挑戰則是形成穿隧作用所需電壓和正常電路執行電壓之間的差距越來越大,而難以相互搭配。隨著製程微縮,電路必須在較低電壓時執行以避免損壞,但產生穿隧所需的電壓卻未能成相對地下降。這使得整合擦除/寫入電路於記憶體的其它部份變得越來越困難。電壓無法相互搭配也可能使得浮動閘電晶體隨著每一次的擦寫而損壞。

由於浮動閘極技術已接近其微縮能力的極限,記憶體開發廠商現正致力於研發究其它方案。目前最為成熟的替代方案之一是Spansion公司開發的MirrorBit技術,該公司最近已把其架構轉移到65奈米製程上,並可望在明年實現45奈米生產。MirrorBit與浮動閘極技術類似之處在於同樣取決於穿隧效應而使電荷存入或移出電晶體的閘極結構,不同之處則是儲存電荷的介質並不是一種導體。

據Nation介紹,MirrorBit單元的非傳導性儲存閘極有多項優勢。首先,由於儲存的電荷保持在局部而非分佈在整個閘極上,因而有助於較容易設計出多位元的儲存單元。相較於傳統的浮動閘極技術來看,MirrorBit技術不必確定閘極上的電荷數,因為位元值是根據電荷的位置編碼而確定的。其次,這種方法也比傳統的浮動閘極技術更有利於製程的微縮。利用隔離來消除單元之間的耦合更加容易,且不太可能因針孔大小的缺陷而導致放電。儘管MirrorBit技術最終也會面臨製程微縮問題,但Nation認為它仍可因應未來十年內的製程微縮變化。

另一種現場可寫入NV記憶體方案是半導體IP開發商Sidense所研發的1T-Fuse技術。根據Sidense公司行銷總監JimLipman介紹,該公司的1T-Fuse記憶體技術針對需要一次可程式或多次可程式的NV記憶體應用,包括系統內部的校準設置、ID標籤和密鑰。Lipman還提到,由於提供了不受限制的記憶體,開發廠商可用其一次可編程元件模擬有限的重複可程式性能。

Sidense公司的1T-Fuse記憶體儲存單元採用一種反熔絲技術:施加一種編程電壓就可使儲存資料的絕緣層永久地變成導電層。這使得裝置開發廠商將可提供高度資料安全的記憶體嵌入於晶片設計中,Lipman說。離子掃描方法和掃描電子顯微鏡可讀取浮動閘極單元的狀態,但無法讀取1T-Fuse單元的編程狀態。1T-Fuse不受限於浮動閘極的縮微極限,也不要求特殊的製造製程。Sidense已發佈了其記憶體單元的一個低功率版本,並可提供授權。

圖:Numonyx公司推出的相變記憶體技術,採用一種可在晶體和非晶體狀態之間變化的可逆轉換,以儲存1位元的資訊。<p>
圖:Numonyx公司推出的相變記憶體技術,採用一種可在晶體和非晶體狀態之間變化的可逆轉換,以儲存1位元的資訊。

相變記憶體

然而,1T-Fuse只有一次可程式能力,不適合經常必須重複寫入記憶體的媒體播放器等儲存應用。而此類應用恰恰是英特爾(Intel)和意法半導體(ST)共同投資的Numonyx公司推出相變記憶體(PCM)技術的極終目標。PCM的作用正與反融絲技術類似,同樣透過電路中的實體狀態變化來儲存1位元的資訊。然而,與反熔絲技術不同的是,PCM能夠使改變的狀態逆轉。

Numonyx公司PCM專案經理Clifford Smith介紹說,硫族化合物層構成了兩個電極之間的橋接部份,相變記憶體即在此層內產生。這種材料類似於可重複寫入的資料儲存光碟(CD)中所使用的材料。這一層級在非晶態時是光線散射的絕緣體;而在結晶狀態下則是反射光線的導體。在儲存數據時,橋接器中的電阻元件可融化使硫族材料。冷卻的速度決定了硫族材料是否結晶(變成導體)或保持非晶態(不導電),都在該單元中儲存資訊。

PCM已出現在市場上多年了,但近來才被利用於製造半導體記憶體。“這一記憶體技術具備融化材料所需消耗的能量,”Smith說,“但現在記憶體單元很小,所需要的功率也還在實用範圍之內。當製程尺寸為10微米時,它相當於可融化一個海洋。那麼,現在就相當於融化一個小池塘吧!。”

Numonyx已經開始採用90nm技術樣產128Mb的PCM元件。隨著製程尺寸的微縮,該方法的優點(在理論上)在於變得更容易實現。儘管要完全實現商業化尚需時日,但當製程技術進展到40奈米或更低時,PCM似乎終將成為浮動閘極NV記憶體的替代方案。

圖:Spansion公司的MirrorBit NV記憶體技術採用一種非傳導性的專利電荷儲存單元,不但取代了浮動閘極技術,並減輕了快閃記憶體面臨的縮微問題。<p>
圖:Spansion公司的MirrorBit NV記憶體技術採用一種非傳導性的專利電荷儲存單元,不但取代了浮動閘極技術,並減輕了快閃記憶體面臨的縮微問題。

作者:古韻德





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