新型存儲，脫穎而出

公眾號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。

在新型工藝節(jié)點上，新型非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)有望取代閃存，成為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的主流存儲技術(shù)。磁性隨機存取存儲器 (MRAM) 和電阻式隨機存取存儲器 (RRAM) 似乎是最有可能的繼承者，而相變隨機存取存儲器 (PCRAM) 則只能在舊工藝節(jié)點上繼續(xù)使用。

與此同時，另一家公司正在開發(fā)一種全新的位單元——它甚至有可能取代DRAM。而鐵電隨機存取存儲器（FeRAM）也蓄勢待發(fā)。

RRAM 和 MRAM 很可能共存，前者成本更低，后者速度更快，更能應(yīng)對極端條件。兩者都比嵌入式閃存更具優(yōu)勢，尤其是在現(xiàn)代工藝節(jié)點上，但考慮到 NAND 閃存的成本優(yōu)勢，它們不會對獨立閃存構(gòu)成威脅。與此同時，任何新的位單元都需要時間才能被業(yè)界接受。

促使人們考慮非閃存技術(shù)的原因之一是閃存供應(yīng)日益有限，價格卻一路飆升。“HBM、DRAM 和 NAND 都在努力滿足未來幾年似乎永無止境的需求，”Everspin 銷售副總裁 Sean Dougherty 表示，“大型廠商實際上已經(jīng)將可用產(chǎn)能全部分配給了少數(shù)幾家企業(yè)，并退出或減少對其他行業(yè)的投入。”

三大長期競爭對手

過去幾年中最引人注目的三種非易失性存儲器（NVM）技術(shù)是磁阻隨機存取存儲器（MRAM）、電阻式隨機存取存儲器（RRAM）和相控陣隨機存取存儲器（PCRAM）。MRAM作為一種獨立存儲器已經(jīng)存在一段時間了，盡管主要用于特定應(yīng)用。PCRAM技術(shù)最初應(yīng)用于音樂CD，但作為存儲器的發(fā)展卻面臨挑戰(zhàn)。RRAM則是一種較新的技術(shù)，但正在逐漸獲得市場認可。

UMC區(qū)域營銷副總裁Suhail Zain表示：“MRAM通常定位于速度更快、耐久性更高的嵌入式應(yīng)用場景，例如持久工作存儲器。”

與此同時，RRAM憑借其成本優(yōu)勢，似乎正瞄準更廣泛的系統(tǒng)領(lǐng)域。“RRAM通常用作通用嵌入式非易失性存儲器，適用于物聯(lián)網(wǎng)微控制器中的固件存儲或電源管理集成電路（PMIC）中的配置存儲器等應(yīng)用，”Zain表示。

Synopsys嵌入式存儲器首席產(chǎn)品經(jīng)理Daryl Seitzer表示：“MRAM和RRAM都在獲得越來越多的關(guān)注。從成熟度來看，MRAM發(fā)展相當活躍。而RRAM方面，商業(yè)化進程也在加速。Nuvaton和Infineon等公司都推出了集成在微控制器中的RRAM。”

盡管經(jīng)過多年的努力，PCRAM 似乎正在這場競爭中敗下陣來。目前還沒有商業(yè)產(chǎn)品問世，也沒有人著手將其移植到 FinFET 及更先進的工藝節(jié)點。Synopsys 公司為嵌入式存儲器開發(fā)編譯器，如果客戶有需求，他們也可以為 PCRAM 開發(fā)編譯器。“目前還沒有任何客戶提出這樣的需求：‘我想把它嵌入到芯片中，我想把它設(shè)計到我的芯片里，我需要一個編譯器來實現(xiàn)這一點。’”Seitzer 說道。

其他人也認同這一觀點。英飛凌嵌入式控制器技術(shù)概念杰出工程師羅伯特·維斯納表示：“PCRAM 已應(yīng)用于平面 CMOS 技術(shù)。然而，我們沒有看到任何將 PCRAM 應(yīng)用于 FinFET 節(jié)點的舉措，而 RRAM 和 MRAM 的研發(fā)活動卻在進行中。”

可擴展性是關(guān)鍵因素

MRAM 和 RRAM 蓬勃發(fā)展的主要優(yōu)勢之一在于它們能夠擴展到新的工藝節(jié)點。而閃存則基本停留在 28nm 節(jié)點。它憑借 3D 架構(gòu)保持成本優(yōu)勢，這使得閃存的價格遠低于其他任何技術(shù)。閃存的統(tǒng)治地位如此強大，以至于沒有任何新技術(shù)旨在超越它最擅長的領(lǐng)域——獨立存儲器。

塞策爾表示：“獨立閃存具有很強的成本優(yōu)勢。目前RRAM或MRAM獨立芯片的市場需求并不高。”

盡管閃存在獨立存儲器方面可能具有優(yōu)勢，但在嵌入式應(yīng)用中情況則截然相反。“在28納米及之后的工藝（例如FinFET）中，將閃存集成到最先進的CMOS工藝中已成為一個重大難題，”Wiesner說道。“工藝復(fù)雜性大幅增加，而進一步縮小尺寸的潛力卻停滯不前。”

因此，MRAM 和 RRAM 被廣泛視為嵌入式存儲器的福音。它們所需的額外步驟比嵌入式閃存更少，并且提供 NAND 閃存所不具備的字節(jié)尋址能力。NOR 閃存也支持字節(jié)尋址，并且更常用于在 MCU 中存儲代碼。但是，如果單片 MCU 需要采用 FinFET 工藝，則 NOR 閃存無法使用。而這正是 MRAM 和 RRAM 發(fā)揮作用的地方。

Zain表示： “兩者的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于，它們主要可以在半導(dǎo)體制造的后端實施，從而能夠相對簡單地集成到現(xiàn)有的邏輯平臺中，只需少量額外的掩模層。”

Everspin首席執(zhí)行官Sanjeev Aggarwal表示：“像三星、臺積電或GlobalFoundries這樣的晶圓代工廠都在提供嵌入式MRAM以及嵌入式RRAM。客戶在有商業(yè)應(yīng)用時會選擇RRAM，而在注重性能和可靠性的領(lǐng)域，例如工業(yè)和汽車行業(yè)，則會選擇MRAM。”

晶圓代工廠似乎致力于這些技術(shù)的發(fā)展。“RRAM 和 MRAM 都在晶圓代工廠的長期發(fā)展路線圖上——RRAM 更多地用于成本優(yōu)化的代碼閃存替代方案，而 MRAM 也可以像 SRAM 一樣用于數(shù)據(jù)存儲（滿足高耐久性要求），”Wiesner 說。

塞策爾對此表示贊同。“臺積電的路線圖支持12納米和6納米工藝。”

SRAM 會成為目標嗎？

有些人膽敢嘗試用其他芯片取代 SRAM，僅僅因為 SRAM 對芯片尺寸的影響。“隨著制程節(jié)點的推進，嵌入式 SRAM 的密度并沒有大幅下降，”Dougherty 說。“存儲器仍然是芯片尺寸的主要組成部分，而芯片成本非常高昂。”

人們最接近這一目標的希望是，非易失性存儲器（NVM）技術(shù)可以作為末級緩存。“MRAM 的讀取速度不如 SRAM 快，”GlobalFoundries 產(chǎn)品管理副總裁 Jamie Schaeffer 表示，“它們距離皮秒級的讀取速度還差得很遠，但接近 10 皮秒的讀取速度。”

盡管MRAM和RRAM的特性有所不同，但它們的用途卻有很多重疊之處。MRAM已在航天和汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用，這兩個領(lǐng)域都是環(huán)境惡劣的場所。如果針對速度而非數(shù)據(jù)保持進行優(yōu)化，MRAM的速度可以比RRAM更快。其目標應(yīng)用范圍非常廣泛。

盡管如此，制造要求卻十分苛刻。“大多數(shù)新興的非易失性存儲器技術(shù)可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施，但一些獨特的集成挑戰(zhàn)使得工藝要求遠遠超出標準存儲器流程，”Lam Research全球產(chǎn)品管理工程高級總監(jiān)Anish Khandekar表示。“例如，MRAM圖案化通常需要離子束刻蝕來精確定義磁性堆疊，因為傳統(tǒng)的等離子體刻蝕不足以處理這些材料。同時，這些器件受到后端熱預(yù)算的嚴格限制，因此需要高度可控的低溫CVD和ALD工藝。材料方面的挑戰(zhàn)也更大。”

MRAM 具有速度優(yōu)勢

MRAM有三種基本技術(shù)版本。Toggle MRAM 是最早的版本，由 Everspin 公司作為獨立存儲器商業(yè)化。目前商業(yè)化的版本稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩 (STT)，其位單元比 Toggle MRAM 更小。性能和耐久性往往相互沖突，因此這項技術(shù)通常需要針對特定應(yīng)用進行優(yōu)化。

MRAM 讀寫速度快、耐用性好，因此目前市面上常見的翻轉(zhuǎn)式 MRAM 主要用于需要持續(xù)寫入的數(shù)據(jù)記錄。“無需考慮損耗程度，也無需關(guān)注外部電池或電容器，”Dougherty 解釋道。

“耐久性和性能之間存在權(quán)衡，但這不一定是工藝上的區(qū)別，”塞策爾說。“這是實現(xiàn)方式上的區(qū)別，取決于你對單元寫入的力度。”

第三種方案——自旋軌道轉(zhuǎn)移（SOT）——旨在解決自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）的權(quán)衡取舍。SOT目前仍處于研究階段，距離商業(yè)化可能還有數(shù)年時間。“據(jù)我所知，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品，”多爾蒂說道。

關(guān)鍵在于找到最適合特定工作負載或應(yīng)用的方案。“MRAM 是一種后端存儲器，擁有非易失性存儲器中最快的讀寫速度之一，”Zain 說。“對于運行環(huán)境可控的應(yīng)用來說，它是一種出色的持久性工作存儲器。這包括航空航天系統(tǒng)和具有屏蔽環(huán)境的汽車應(yīng)用。”

其他人也同意這一觀點。“我們認為MRAM非常適合汽車MCU領(lǐng)域以及對環(huán)境要求嚴苛的工業(yè)自動化應(yīng)用，”Schaeffer說道。

“我們相信MRAM將在邊緣人工智能領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，”Dougherty說道。“在這些邊緣人工智能嵌入式系統(tǒng)中，密度和讀寫性能更為重要。”

然而，對于外部磁場是否會對MRAM造成實際影響，目前似乎存在爭議。對于翻轉(zhuǎn)型MRAM來說，外部磁場可能構(gòu)成問題，但它們通常采用屏蔽封裝。Everspin公司表示，STT MRAM本身不受磁場影響，但無論這種擔憂是否合理，業(yè)界似乎仍然存在疑慮。

“對于某些應(yīng)用來說，MRAM的磁化率是一個需要認真考慮的問題，”維斯納說。“磁場規(guī)格要求在生產(chǎn)流程和實際應(yīng)用中都適用。”

作為唯一一家獨立式MRAM供應(yīng)商，Everspin公司卻持不同觀點。“我們的STT MRAM具有抗磁干擾能力，這完全取決于我們所用材料的特性，”Aggarwal說道。

RRAM 更便宜

RRAM 有兩種類型。導(dǎo)電橋式隨機存取存儲器 (CBRAM) 的工作原理是通過介質(zhì)阻擋層創(chuàng)建和破壞金屬絲。相比之下，氧空位隨機存取存儲器 (OxRAM) 則是在介質(zhì)中移動氧空位。OxRAM 似乎在這場競爭中勝出，并且已經(jīng)被集成到微控制器 (MCU) 中。

Zain表示：“由于OxRAM的材料基于CMOS中常見的金屬氧化物和惰性電極，因此它更適合代工廠進行大批量集成，這有助于實現(xiàn)更清潔的后端集成并降低污染風險。而CBRAM則依賴于活性金屬離子的電化學運動來形成和溶解導(dǎo)電橋。這種機制可能會引發(fā)更多關(guān)于金屬擴散和污染控制、工藝窗口狹窄以及邏輯芯片制造環(huán)境中可靠性保護帶等方面的擔憂。”

與CBRAM相比，OxRAM也被認為能夠適應(yīng)更廣泛的環(huán)境。“OxRAM在高溫數(shù)據(jù)保持和魯棒性方面更勝一籌，因為它的開關(guān)是由氧空位和細絲調(diào)制驅(qū)動的，而不是通過反復(fù)鍍覆和剝離金屬細絲，”Zain說道。“這使得OxRAM對于那些需要在高溫下長時間保持數(shù)據(jù)，并在寬工作范圍內(nèi)保持一致性能的應(yīng)用場景更具吸引力。”

RRAM讀取速度很快，但OxRAM的寫入速度卻很慢。“它的速度幾乎和閃存一樣慢，在某些情況下甚至更慢，”Aggarwal說道。“它不需要批量擦除，但寫入速度仍然很慢。”

從優(yōu)點來看，RRAM 成本更低，尺寸更小。“我看到的主要優(yōu)勢在于 RRAM 技術(shù)工藝的簡單性——BEOL 堆疊層中只需要一個小型電容器（底部電極、介質(zhì)層、頂部電極），再加上標準 CMOS 工藝中的一個特定器件，無需特殊材料，也無需特殊工具，”Wiesner 說。

Zain表示：“RRAM與前端CMOS工藝具有很強的兼容性，因此非常適合300mm eNVM SoC平臺，包括基于MCU的應(yīng)用。這種適應(yīng)性也使得RRAM在將NVM集成到特殊工藝（例如BCD[雙極CMOS-DMOS]和嵌入式高壓器件）方面極具吸引力。”

英飛凌已選擇 RRAM 用于 28 納米以上制程節(jié)點的 MCU。“英飛凌與臺積電聯(lián)合開發(fā)的 ATV（英飛凌品牌）RRAM 版本滿足了以往嵌入式閃存技術(shù)的所有主要要求，”Wiesner 表示，并列舉了以下優(yōu)勢：在 175°C 下數(shù)據(jù)保持時間超過 1000 小時（相當于在 125°C 下約 8 年，在 40°C 下約 20 萬年），可承受 25 萬次代碼更改，讀取時間僅需 15.2 納秒，工作溫度范圍為 -40 至 160°C，且具有高品質(zhì)。

英飛凌發(fā)現(xiàn) RRAM 比 MRAM 更容易制造，但該公司也在考慮用 MRAM 取代 SRAM 用于數(shù)據(jù)存儲。

正在悄然上市FeRAM

鐵電隨機存取存儲器（FeRAM）技術(shù)已經(jīng)研發(fā)多年，并且實際上已經(jīng)用于一些特定用途的商業(yè)化生產(chǎn)。它依賴于一種可以呈現(xiàn)兩種不同結(jié)晶取向狀態(tài)的介電材料。這種介電材料被當作電容器來使用，CEA-Leti 將其稱為 FeCap。

FeRAM 的一大優(yōu)勢是極高的耐久性。“如果您需要持續(xù)寫入信息并以非易失性方式存儲，F(xiàn)eRAM 就非常理想，”CEA-Leti 的集成和器件工程師 Laurent Grenouillet 表示，“這就是為什么它如今被廣泛應(yīng)用于商業(yè)數(shù)據(jù)記錄產(chǎn)品中的原因。”

FeRAM的另一個優(yōu)點是寫入功耗低。“鐵電存儲器的優(yōu)勢在于，只需在FeCap兩端施加電壓（幾乎不需要電流）即可寫入信息，”Grenouillet說道。“而電阻式存儲器則需要電流流過器件，這通常會消耗100倍的能量。”

目前FeRAM面臨的最大挑戰(zhàn)是尺寸擴展。“PZT材料已經(jīng)商業(yè)化多年，但PZT無法擴展，所以目前其尺寸限制在130納米，”Grenouillet說道。“PZT與CMOS工藝不兼容，也無法通過原子層沉積（ALD）技術(shù)進行沉積。”

CEA-Leti 近期宣布，他們已成功實現(xiàn)采用氧化鉿鋯 (HZO) 作為位單元的 22nm 鐵電隨機存取存儲器 (FeRAM)。HZO 材料已廣泛應(yīng)用于 CMOS 晶圓廠，并可通過原子層沉積 (ALD) 技術(shù)進行沉積。該團隊目前正在使用 7nm 厚的薄膜，并致力于將其尺寸縮小至 5nm 或 4nm。

格雷諾耶表示：“嵌入式鐵電隨機存取存儲器（FeRAM）集成需要兩到四個額外的掩模。在20納米工藝下，它的尺寸可以比靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）小2.5倍。”

該電容器呈垂直狀，類似于DRAM中使用的電容器（甚至可能更高一些，達到1微米）。“FeCap面積越大，內(nèi)存窗口的裕量就越大，”格雷諾耶解釋道。

幾年前，美光公司曾開發(fā)過一個32Gb的FeRAM項目，并將其命名為NVDRAM。鑒于其上市時間與標準DRAM競爭，這本質(zhì)上是一種非易失性版本。然而，該公司至今尚未將其商業(yè)化，因此尚不清楚是某些方面使其不適合量產(chǎn)，還是僅僅出于資源優(yōu)先考慮。

一種全新的位單元

一家名為 Quinas 的新公司開發(fā)了一種全新單元，它與任何其他非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)都截然不同。它采用浮柵結(jié)構(gòu)，但電子到達浮柵的路徑卻獨具特色。

“UltraRAM 是一種化合物半導(dǎo)體浮柵存儲器件——實際上是閃存的 III-V 族類似物——但其電荷轉(zhuǎn)移機制截然不同，”Quinas 首席執(zhí)行官 James Ashford-Pook 表示。“它不是通過介電氧化物進行隧穿，而是利用量子共振隧穿效應(yīng)，通過精心設(shè)計的 III-V 族異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行隧穿。”

Quinas首席技術(shù)官Peter Hodgson表示：“頂部是浮柵，下方是類似于閃存的溝道。在閃存中，會有一個介電層來阻擋電荷，防止其從浮柵泄漏。我們利用量子力學原理，制造出一個在未施加電壓時電阻極高的區(qū)域；但一旦施加2.5V電壓，電子就能通過該區(qū)域發(fā)生共振隧穿。”

Quinas的存儲器采用三層AlSb勢壘，將兩個InAs量子阱隔開。“這些勢壘的設(shè)計和生長方式使得這兩個量子阱的基態(tài)能級在零電壓下略微錯位，”Hodgson解釋說。“當器件未施加電壓時，電子無法從溝道移動到浮柵，也無法從浮柵返回溝道。”

隧道層極其纖薄，其中一層僅由四層單分子層構(gòu)成，另一層則由十七層構(gòu)成。在這樣的尺寸下，量子效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。“電子同時存在于所有這些位置，因此波函數(shù)基本上會在整個結(jié)構(gòu)中拉伸，”霍奇森說道。

由于這些位單元材料不適合CMOS晶圓廠生產(chǎn)，所以他們選擇在III-V族晶圓廠進行制造。“我們這里使用的材料被稱為6.1埃半導(dǎo)體族，”霍奇森說道。“GaSb、InAs和AlSb的晶格常數(shù)都非常接近6.1埃。硅晶圓廠不喜歡這些材料，因為它們被認為是雜質(zhì)，但它們在光電二極管、激光器和光電子器件中應(yīng)用非常廣泛。”

這對必須與位單元配套使用的控制邏輯提出了挑戰(zhàn)。奎納斯認為有兩種方法可以解決這個問題。一種方法是使用獨立的硅控制芯片，然后將其鍵合到容納位單元的III-V族芯片上。另一種方法是在III-V族晶圓上開發(fā)邏輯電路。

該公司聲稱其數(shù)據(jù)保留率極高。至于耐用性，該公司發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1000萬次循環(huán)后，性能沒有絲毫下降。

霍奇森說：“我們的記憶保持時間是無限的。我們不想在論文里直接說這一點，因為這可能會引起爭議。所以我們畫了一條直線，這可能低估了我們的記憶保持時間，但仍然長達1萬年，這對于任何記憶來說都綽綽有余了。”

由于采用了溫和的編程方法，而非熱載流子注入或福勒-諾德海姆隧道效應(yīng)，數(shù)據(jù)保持性和耐久性可能更高。“我們認為主要原因是，我們向器件注入的能量非常少，因此幾乎沒有理由損壞它，”霍奇森解釋道。

由于這需要III-V族晶圓代工廠來制造比特單元，因此產(chǎn)量可能會受到此類代工廠產(chǎn)能的限制。“我們并不認為這是一個根本性的限制，盡管這是我們制造策略中的一個重要考量因素，”Ashford-Pook說道。“我們最初的目標市場是那些小批量、高價值的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，能源效率、耐久性和持久性比每個比特的成本更為重要。”

性能直逼DRAM

Quinas目前正使用大型測試結(jié)構(gòu)來測試，因此測試結(jié)果無法反映縮小到量產(chǎn)節(jié)點后的實際性能。“如果我們縮小器件尺寸，我們預(yù)計在20nm工藝下將達到1ns的開關(guān)速度，這與DRAM的性能相當——實際上可能比DRAM還要快一些，”Hodgson說道。

Quinas 最初的目標是 DRAM，就像 Micron 的 FeRAM 項目一樣。它的讀取速度很有競爭力，而且無需刷新，因此讀取速度更快（因為它不需要重寫數(shù)據(jù)位），功耗也比 DRAM 低。預(yù)計單元尺寸為 6F2，因此在成本方面也很有競爭力（直到降至 4F2）。

但現(xiàn)在該公司正調(diào)整策略，探索神經(jīng)形態(tài)計算。這種位單元應(yīng)該能夠處理多個層級，從而有可能實現(xiàn)內(nèi)存計算 (IMC)。目前其產(chǎn)量較低，這使得 Quinas 可以更平穩(wěn)地提升出貨量。

對于此類重大變革，業(yè)界向來極其保守。目前的挑戰(zhàn)在于如何讓所有人相信這個想法是可靠的，并且所有潛在的問題都已得到解決。在位單元進行驗證的同時，該公司也在致力于改進制造流程和整體存儲器架構(gòu)，包括配套的數(shù)字控制邏輯。Quinas 預(yù)計將于 2029 年將產(chǎn)品推向市場。

內(nèi)存領(lǐng)域日趨復(fù)雜

多年來，我們一直使用三種基本內(nèi)存技術(shù)：DRAM、閃存和SRAM。雖然也存在其他技術(shù)，但它們并未真正參與大規(guī)模生產(chǎn)。這種情況正在改變。

搭載MRAM和RRAM的MCU已經(jīng)面世，為大規(guī)模生產(chǎn)增添了兩種新的選擇。然而，目前還沒有獨立版本的MRAM和RRAM。相比之下，PCRAM似乎將被時代淘汰。

FeRAM 的發(fā)展一直受制于工藝可擴展性不足，但這種情況可能正在改變。FeRAM 作為一種非易失性存儲器 (NVM)，具有令人矚目的潛力；如果業(yè)界有足夠的魄力，用它取代 DRAM 將開辟一個巨大的新市場。

至于Quinas公司，它將其技術(shù)稱為UltraRAM，雖然初期主要面向特定應(yīng)用，但也將其視為一種通用存儲器。這項技術(shù)在早期階段看起來很有意思，但仍有許多工作要做。它最終要么令人失望，要么會成為一項重大突破。幾年后我們就能見分曉。

（來源：編譯自semiengineering ）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4470內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

加星標??第一時間看推送

求推薦