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記憶體技術向‘統一之路’邁進

上網時間: 2007年02月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:記憶體  浮動閘  相變  memory  floating-gate 

針對下一代記憶體技術的各種研究,在日前舉行的‘IEEE國際電子元件會議’(IEDM)上成為備受關注的焦點。會議中,關於DRAM和快閃記憶體元件在不久的將來就無法再微縮的疑慮正不斷升高。

在IEDM上,晶片製造商展示了各式令人眼花撩亂的下一代或‘通用記憶體’技術,其中有許多技術聲稱可作為DRAM和快閃記憶體的替代品。在這些競爭技術中,有許多大家已耳熟能詳,如鐵電記憶體(FRAM)、磁性記憶體(MRAM)、相變記憶體和其他相變技術。

在嘈雜擁擠的人群中,IBM團隊的表現非常搶眼,他們發佈了堪稱全球首款的‘可靠性’相變記憶體。三星電子公司也以FinFET NAND、堆疊式NAND單元陣列與薄膜電晶體NAND三種創新技術贏得了與會者的喝采。

簡而言之,下一代記憶體市場競爭空前激烈。iSuppli公司表示,通用型記憶體市場規模可望在2019年達到763億美元,儘管目前仍不清楚哪種技術會在這個潛力無限的市場中勝出,但成本和製造議題將使大多數落後的候選技術為主流應用所淘汰。

大部份的技術仍像是‘紙老虎’一樣,美光公司(Micron)NAND開發副總裁Frankie Roohparvar指出。

但目前迫切需要找到一種新的記憶體解決方案,三星電子半導體業務部總裁暨執行長黃昌圭(Chang-Gyu Hwang)認為。該公司最新的DRAM和NAND快閃記憶體元件分別採用了50nm和40nm製程。但在發展至20nm節點及更先進製程這個令人膽顫心驚的‘深次奈米’時代之際,目前的DRAM和快閃記憶體技術正面臨著各種微縮障礙,黃昌圭指出。

“隨著矽晶技術進入深次奈米時代,越來越多的人關心半導體技術能否繼續滿足業界的需求。”黃昌圭在IEDM上說,“電晶體的微縮終有其極限,由於製造成本不斷增加,製造業的利潤也越來越微薄。雖然大多數專家相信矽晶技術在20nm以前仍將保持領先優勢,但在20nm節點以下,會有許多基本的和特定應用的問題將阻礙矽晶片的進一步微縮。”

微縮問題

即使是目前的記憶體元件,在某種程度上也已經遇到瓶頸。例如,DRAM業者與相關的邏輯廠商共同合作,以期使產品密度能夠每18個月倍增一次;目前,DRAM業者已經發佈採用50nm製程的產品。“在50nm以下製程,我們必須在DRAM中尋求陣列電晶體的新突破。”黃昌圭說。三星正在開發體接觸(body-tied)鰭式場效電晶體(FinFET),這種技術可以將DRAM製程再微縮至30nm,他透露。

快閃記憶體也面臨相同問題,特別是NAND。但事實上,NAND供應商的微縮速度比摩爾定律還快,他們的產品密度幾乎每年倍增,美光科技的Roohparvar表示。這使NAND供應商與微影設備供應商逐漸脫節,特別是針對50nm‘半間距’節點及更先進的製程而言。

“我們已經為產品上市作好準備,但設備供應商卻還未能準備好為我們供貨。”Roohparvar說。ASML公司和Nikon公司等設備製造商已分別提供193nm的浸入式微影工具,這些工具宣稱可處理幾何尺寸小至40nm的晶片。但晶片製造商們仍猶豫不決,是否能以較不費力的方式取得這些高價的新型掃描器並投入生產線,專家們指出。

然而,對快閃記憶體供應商來說,微縮也許仍是最大挑戰。浮動閘結構是傳統NOR和NAND裝置的關鍵元件,但許多人質疑這種技術還能走多遠。Intel公司快閃記憶體技術整合部總監Been-Jon Woo認為,浮動閘結構至少還能發展到2010年。“但在那之後,我們將不得不做出一些重大的改變。”Woo表示。

一家公司已經著手微縮NAND元件。去年9月,三星公司推出了採用40nm製程技術製造的32Gb NAND晶片,該晶片取消了浮動閘結構,而代之以該公司所謂‘電荷擷取快閃記憶體’的專有‘氧-氮-氧’層。據三星公司宣稱,這種技術能輕易將NAND微縮到20nm節點。其他技術也為了能夠在下一代非揮發性記憶體中取得主導地位而展開競爭。這些技術包括FeRAM、MRAM和所謂的相變技術等三種基本候選技術。

基於MRAM和鐵電隨機存取記憶體(FRAM)技術的產品已經上市,但在可預見的將來它們仍只能作為SRAM的替代品,Micron公司的Roohparvar指出。

相變技術發展

Energy Conversion Devices公司於1970年就曾推出相變記憶體(OUM)技術。但分析師們認為,儘管背後有Intel、三星、ST和其他公司的支援,至少未來10年內,OUM技術都無望打入商業市場。

OUM是許多基於相變技術的產品之一,在IEDM上受到了廣泛關注。該技術依據的是硫化材料的電子感應相變原理,但一直很難可靠地進行大量生產。相變材料的晶態和非晶態代表了‘0’或‘1’,只要在上面施加少量的重設電流便能觸發這兩個狀態的交替變換。

在IEDM上,多家公司均聲稱在相變記憶體技術上取得了重大突破,雖然這些工作仍停留在研發階段。其中,IBM、Macronix和奇夢達(Qimonda)的團隊宣佈已經開發出一種可靠的相變記憶體原型,其開關速度比傳統的快閃記憶體技術還快500多倍。這種元件的橫截面只有3x20nm,據說僅需不到一半的功率就能將資料寫入單元中。該元件的核心是一塊微型的半導體區塊(chunk),可以在有序、晶相、無序和非晶相之間來回變換。這種新的記憶體材料是一種鍺銻合金,為了增強性能還在上面增加了少量的其他元素。


圖說:由IBM、Macronix與Qimonda公司團隊合作開發的相變記憶體技術,據稱開關速度比傳統快閃記憶體快500多倍。

日立(Hitachi)和瑞薩(Renesas)公司則另闢蹊徑,並宣稱相變記憶體技術在其持續開發下有了重大改進。他們的新型設計在連接MOS電晶體的接頭和相變薄膜之間使用了一層五氧化二鉭分界層,這是一種標準的硫化鍺銻碲合金。這種技術可以用來開發新型的先進微控制器,瑞薩和日立公司表示。

三星公司也不甘示弱,更詳細地說明了另一種相變記憶體技術,即相變隨機存取記憶體,或稱PRAM。三星公司透露,他們已經採用90nm製程開發出可正常運作的512Mb PRAM。

作為NOR快閃記憶體的最終替代品,PRAM非常類似在CD和CD驅動器中所採用的技術。在PRAM中,電流加熱硫化薄膜可使之呈現晶態或非晶態,兩種狀態下的電阻率有很大差別,因而可判讀為0或1。


圖說:透過掃瞄電子顯微鏡影像可顯示出一款用以評估原理驗證而製造的超薄型記憶體測試單元。

三星還採用了一種完全不同的技術,即將目前的NAND技術和3D堆疊技術結合起來。在IEDM上,該公司首次展示了一種超高密度快閃記憶體元件,這種元件依次垂直堆疊了32位元NAND單元陣列或結構,尺寸只有63nm。

這是依靠單晶層堆疊技術而實現的。NAND單元陣列建立在層間電介質上,因此能在不增加晶片尺寸的情況下使密度提高2倍。這種技術據稱還能在30nm節點以下微縮。

事實上,記憶體供應商必須嘗試多種方法才能找到正確的技術,三星的黃昌圭表示。“這些解決方案不僅包括3D技術,還包括分子級的非晶矽技術。”他總結道。

馬立得




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