淺談新型存儲器

泛林集團

從PCRAM和MRAM到RRAM等更多技術，一系列全新的存儲技術正不斷涌向晶圓廠。而推動這一進程的正是游戲和移動產品領域的技術進步，以及云計算的發展。這些應用都非常重要，它們正在不斷擴展當今主流存儲技術的能力。例如，游戲應用需要速度極快的主存儲器和高容量的輔助（存儲類）存儲器，從而在用戶渾然不覺的情況下處理數據，快速管理海量的圖形數據。畢竟，沒人希望在游戲玩到關鍵時刻，突然遇到意外的卡頓。對于云計算，其最大的優勢在于能夠通過網絡訪問海量數據，而無需將這些數據直接存儲在我們的個人設備上。同樣，速度也至關重要，因為除非必要，沒人愿意多等待哪怕一納秒。

1 縮小存儲差距

正如之前在“你認識的存儲器真的是你認識的存儲器嗎？”一文中所提到的，DRAM和NAND閃存是目前使用最廣泛的技術，分別用于較快的主存儲器和相對較慢的存儲類存儲器。為了滿足包括提高存儲速度、容量、功耗以及可擴展性這些不斷增長的性能要求，人們開始探索多種新技術。這些新的顛覆性存儲技術中有大部分屬于非易失性技術，這表示它們無需耗費電能來保存數據，而通常定位于存儲類應用。由于它們都是隨機存取，所以比NAND閃存更快，而后者目前廣泛用于多種存儲應用。此外，這些相對較大的存儲組件可以在芯片的后端制程（BEOL）中構建。如此，便可避免在前端制程（FEOL）構建晶體管等組件過程中的進一步擁堵。因為和其他類型的存儲器相比，它們在工藝流程中的不同層級制造，所以能夠提供巨大的擴展優勢。如圖1所示。

圖1 不同層級制造的全新存儲器

2 相變RAM（PCRAM）

因為PCRAM（也稱為相變存儲器（PCM））可提供與DRAM（隨機存取、位可尋址、位可變性）同等的性能，所以人們正考慮將其用于主存儲器以及存儲類應用中。PCRAM技術利用硫屬化合物玻璃（Ge2Sb2Te5或GST）在受熱影響下狀態的改變，即所謂的“相變”屬性。電流通過加熱元件（電阻），讓GST在多晶（低阻抗）和非晶（高阻抗）狀態間切換。阻抗的不同與存儲在存儲單元中的數據值（“0”或“1”）相關。

圖2 相變RAM（PCRAM）基本結構

制造這些器件的過程非常嚴苛，尤其是刻蝕步驟。GST采用的三種材料（鍺、銻和碲）必須在同一時間進行刻蝕。但是，這三種材料具有不同的刻蝕速率，并且各材料的去除量不同可能會導致器件的側壁損壞和剖面凸形。此外，另一項挑戰在于：在清除刻蝕后GST殘留的同時，不能造成高深寬比結構崩塌，或者在GST周圍形成厚的氧化層。由于氧化層取代部分導電材料，導致信噪比降低，從而影響到器件的性能。隨著器件尺寸縮小，GST的面積也會縮小，但受損區域仍然保持不變（受損區域所占的比例上升）。最終，由于沒有足夠的GST，從而無法可靠地檢測到電信號。目前，解決這一問題的方案正在緊鑼密鼓的研發中。

3 磁阻RAM（MRAM）

MRAM的速度和存儲容量使其既適用于主存儲應用，也適用于存儲類應用。自旋轉移矩MRAM（STT-MRAM）這一種類MRAM已開始獲得人們的關注。MRAM中的STT利用電子的固有自旋來降低達到閾值電壓（激活存儲單元所需的電平）所需的電流，從而節省能量。對于緩存應用，其速度可與SRAM（靜態RAM）媲美。除此以外，SRAM體形大，占據了計算機微處理器或中央處理單元（CPU）約50%到80%的空間。MRAM可以集成到BEOL級別的芯片中，相比集成到FEOL級別的大型SRAM陣列，它可以提供巨大的擴展優勢。

MRAM使用磁存儲元件而非傳統的電荷來存儲數據。每個存儲單元由兩個磁體組成：一個是靜止的，一個可以翻轉。當兩個磁體彼此平行時，電阻值低；當第二個磁體翻轉并改變方向時，電阻值高。與PCRAM類似，電阻的變化也與“0”或“1”數據值相關。

圖3 磁阻RAM（MRAM）基本結構

對于PCRAM，MRAM器件的刻蝕步驟是整個制造流程中最具挑戰性的。因為難以與等離子氣形成揮發性化合物而被去除，鈷鐵（CoFe）和鈷鐵硼（CoFeB）磁層很難刻蝕。因此，這些工藝過程需要利用離子來轟擊（濺射）晶圓表面，以移除材料。由于殘余物質靠近基底部，蝕刻會形成錐形而非垂直剖面，這會影響到器件與器件的最小間隔。如果錐形剖面的基部距離過近，則可能出現短路。離子束刻蝕是解決這個問題的方法之一，它通過傾斜和旋轉晶圓來控制沖擊晶圓表面的離子角度，從而移除準基座部分的材料。

轉換磁體的氧化鎂（MgO）隧道保護層很容易受到損壞，這進一步加劇了問題的復雜性。而在刻蝕步驟完成之后，立即在保護層周圍沉積一層材料（“包封”）可以讓它們免受腐蝕，并降低暴露于空氣的程度，從而防止MgO形成不需要的氫氧化鎂（MgOH）。

4 電阻RAM（ReRAM或RRAM）

對于移動電子領域來說，RRAM被當作未來可替代NAND閃存的對象來進行研究，后者（NAND閃存）在某些情況下無法以低成本提供足夠高的存儲容量。RRAM的速度比閃存快，具有隨機存取和位可變性，是高性能存儲類應用的極佳選擇。此外，它在交叉點和3D垂直架構上同樣具有優勢，能夠助力實現更高的位密度（更高的存儲容量）。

與PCRAM類似，RRAM采用阻抗可以在兩個電極間變化的材料。電場或熱量會改變材料的離子分布，從而提供了可用作信號的可測電阻變化。

圖4 電阻RAM（ReRAM或RRAM）基本結構

和MRAM一樣，RRAM采用了一些需要刻蝕的非揮發性材料，其中包括碲化亞銅（CuTe）和鍺化亞銅（CuGe）。由于銅基材料不易刻蝕，所以這些設計需要替代性的制造解決方案。一種方法是改變其架構而使用鑲嵌工藝。鑲嵌方法解決此問題的步驟是：先沉積介電質材料，然后對介電質材料進行刻蝕。接下來，沉積銅材料。這種方法避免了銅刻蝕的挑戰。另一個問題在于，讓高活性材料（例如銅基薄膜）暴露在空氣中會導致其氧化和屬性變化。對這些材料中的大多數而言，控制暴露在空氣中的程度至關重要，因此這些器件會和MRAM一樣被包封。

5 顛覆性創新推動電子行業變革

展望未來，除了這些新型的非易失性存儲類型之外，業界還在尋找更多方法。由于最新的CPU速度之快已導致數據傳輸開始阻礙整體的芯片速度，對于新的解決方案的需求迫在眉睫。要提升速度并降低功耗，一種想法是將存儲器和邏輯器件集成在一顆芯片上，而另一種想法則是設計出更加以數據為中心的邏輯和存儲器組件架構。盡管兩種概念都具有可行性，但仍有許多待解決的設計和制造問題。要提高存儲容量，同時又不影響速度，目前正在研究的一種選擇方案是混合存儲立方體，它通過把DRAM存儲單元放置得足夠靠近來縮短數據傳輸路徑。

圖5 兩種將DRAM存儲器與邏輯器件結合的設想

另一個有趣的領域是神經網絡計算——讓CPU模擬人腦的功能和其神經系統。對于這一領域，除了設計挑戰之外，管理能耗非常關鍵。人腦只需使用約2～20 W，而如今的計算機要執行類似人腦的功能，則需要約20 000 000 W。雖然神經網絡結構消耗的電量要少得多，但它只適用于某些活動。CPU使用不連續的“1”或“0”（開或關）邏輯，這是非常準確的。神經網絡數值會被放大，并且需要在準確度達到約75%或80%時，信號才能被識別。所以，這一領域仍然有局限，需要進一步探索。

通過創新，計算領域和大量相關的支持存儲設備在不久的將來以不同的方式運行。幸運的是，對于我們這些喜愛和依賴電子產品的人而言，我們可能只需要關注到這些革命性的變化能夠帶來的超快速度和強大功能體驗。