未来的非易失存储器(NVM)探究

2004年8月A版

6月22日，全球部分首要电子媒体集合到英飞凌(Infineon)科技公司的存储器生产基地—德国德累斯顿市，聆听了存储器产品事业部首席技能官(CTO)W. Beinvogl博士的演说，了解了这家国际首要的存储器公司在非易失存储器(NVM)方面所获得的一些研讨成果。
虽然DRAM、Flash(闪存)等存储器开展如日中天，但国际存储器商场的首要供货商—英飞凌早已意识到现有的存储器都有必定的技能限制，因而为了满意未来更高功能、更低本钱需求，需求立异性地开发一些新技能/产品(图1)。

图1  开发新式存储器的原因

图2  现有与新式的存储器
非易失闪存的特色是在断电时不会丢掉内容。现在，业界正处于研制阶段、又具有运用潜力的NVM有磁性 RAM，导体桥接(Conductive Bridging, CB)RAM，相移(PC)RAM(Intel研制，也称OUM)，有机RAM(ORAM，聚合物存储器)等，特色如表1所示。
新式的存储器的功能令人眩目，但谁将在未来的商场上胜出充溢变数(图2)；不过从功能指标上看，英飞凌等公司以为MRAM与FeRAM较有优势，投入研制的力度也较大；一起，英飞凌在现有的干流存储器—闪存上也在不断进行技能打破。
 
16Mbit MRAM原型
请幻想一下这样的情形：计算机即便在电源毛病时也不会丢掉数据；笔记本电脑电池可以运用几天时刻而不用充电；手持电脑和手机配备有海量存储器；而PC只需求按一下电源开关，就可以从昨日关机的状况当即开端。只需几年时刻，这一切都会变为实际。 
现在正在大力研讨的MRAM技能等新式存储器技能为完成这一切供给了必要条件。英飞凌宣告与IBM已于6月中旬，展现了现在为止最先进的此类革命性计算机存储器原型：全球第一款16Mbit磁阻RAM(MRAM, Magnetoresistive RAM)原型。 
MRAM存储器速度十分快，然后支撑超快速数据存取。作为比照，英飞凌的16Mbit MRAM芯片速度比运用于USB闪盘、手持计算机和数码相机中的非易失性闪存的速度快约1000倍。进一步，MRAM存储器单元的可写入次数比闪存要高100万倍。
16Mbit芯片(1600万存储单元)这样的高存储容量之所以可以完成是由于选用了小至仅1.4mm2的存储单元。作为比照，5000个存储单元仅有人头发丝的横截面那么大。
因而Beinvogl博士骄傲地宣告：“全球首款16 Mbit MRAM存储器原型的推出标志着这一新技能开展过程中的一项重大打破。” 
MRAM芯片运用资料的磁化特性来存储信息，而不是运用电荷。MRAM经过操控铁磁体中的电子旋转方历来到达改动读取电流巨细的意图，然后使其具有二进制数据存储才能。英飞凌所运用的磁阻元件是磁性地道结(MTJ)结构，此结构有上、下两层磁性资料，中心夹着一层非磁性的绝缘层。MTJ元件是由磁场调制上、下两层磁性层的磁化方向成为反平行(图3左)或平行(图3右)来树立两个安稳状况。在反平行状况时，经过此元件的电子会遭到比较大的搅扰，因而反映出较高的阻值；反之显现较低的阻值。MTJ元件经过内部金属导线所发生的磁场强度来改动不同的阻值状况，并以此记载0、1信号。
自从2000年以来，英飞凌公司就与IBM合作开发MRAM芯片。最近，这一技能被搬运给两家公司设在法国的合资公司Altis。
 
FeRAM：选用笔直电容器的小型高度可扩展的三维FeRAM单元
在FeRAM(铁电随机拜访存储器)中，运用铁电薄膜的剩下极化来存储信息。与MRAM相同，FeRAM也是一种新式存储技能。FeRAM技能的长处包含与SRAM相似的快速读写功能以及更低的功耗。这使得该技能十分适用于游戏机、手机、移动产品和芯片卡等运用。 
与FRAM或闪存比较，现在的FeRAM单元尺度依然较大，因而开发小型的具有竞争力的FeRAM单元成为要害应战。运用评论最广泛的平面型FeRAM单元概念，只能到达约10F2 的单元结构巨细，其间F(毫轻轻)是工艺的最小规划工艺尺度。此外，平面型FeRAM单元的工艺弹性性有限。 
为战胜这些缺点，英飞凌和东芝公司在本年6月夏威夷的VLSI技能研讨会上提出了一种选用新式三维笔直电容结构的立异链式FeRAM单元概念(图4)。这种立异的存储单元具有高度的工艺缩微才能，并支撑小至4F2的存储单元结构尺度。 
在研讨人员提出的笔直电容器FeRAM存储单元中，存储单元包含一个晶体管和一个铁电电容器，两者并联。晶体管的触点与电容器的笔直电极在相邻单元间同享，因而使单元结构更为紧凑。在本次研讨会上，研讨人员给出了这一立异单元结构的第一个有出路的成果。
 
用于代码和数据闪存产品的110nm NROM
笔记本电脑、数码相机、MP3播放器和PDA等便携式产品的持续开展要求在闪存卡、CompactFlash卡或USB设备等可移动存储器上存储很多数据。针对此类群众存储运用的非易失性存储器是本钱驱动的，也就是说，它们需求每bit本钱最低的解决方案。由赛芬(Saifun)半导体公司开发的NROM技能可在一个存储单元内存储两个不同的数据位，因而关于本钱灵敏的产品十分具有吸引力。Infineon的闪存部分最近推出的Twin-Flash产品就根据Saifun这一2位/单元的架构(图5)。NROM单元的原理是在ONO(氧-氮-氧)栅极介电资猜中的氮层中部分捕获电荷。

图3   MRAM原理


图4 FeRAM的笔直电容概念
为在110nm工艺下坚持小的位结构和较低的工艺复杂性，需求进行概念性的立异。英飞凌提出的新单元结构获益于高档NMOS晶体管的工艺可缩放概念。本年6月，在VLSI技能研讨会上，英飞凌提出的新式NROM规划办法在110nm规划规矩下位尺度仅0.043mm2/bit。这一概念性规划选用干流CMOS型单元器材和一个虚拟地陈设架构。新的技能可一起用于裸片密度达2Gbit的代码闪存和文件存储闪存产品。
 
在16Gb闪存中探究使FinFET 亚40nm 氧-氮-氧晶体管
浮栅闪存晶体管在缩微至深亚100nm规模工艺尺度时面对严峻的应战，首要由于为了牢靠的电荷坚持有必要选用厚地道氧化层。与此比较，电荷捕获存储器器材需求的电压小，具有更杰出的工艺缩微性质。 
英飞凌公司企业研讨部提出了一种适用于超高集成度闪存器材的根据鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor, FinFET)的电荷捕获型存储器技能。这些新的存储器晶体管运用三个栅极门来操控静电地道，然后可保证其工艺弹性才能。电荷存储在附近一个相似鱼鳍状栅极区域的氮捕获层中(图6)。与传统浮栅单元比较，地道氧化层具有很好的工艺缩微特性，由于捕获层关于单个走漏途径不灵敏。这样，英飞凌研讨人员获得了具有30~40nm超短栅极的器材，在NAND型阵列中可支撑16Gbit/裸片(die)的密度，与现在的器材比较，密度提高了约10倍。进一步，这一技能并不需求任何新的资料，因而与老练的CMOS技能彻底兼容。


图5 TwinFlash原理

图6  三栅电荷捕获器材