移动时代下的新兴存储技术

特约通讯员周祺

科技产业发展主轴从PC转到移动终端，半导体存储技术不论在应用还是价值方面都发生了引人注目的变化。此变化归因于消费者对移动产品需求的转变，从而激发了对新的存储技术的需求和兴趣。

这一意义重大的应用变革——移动多媒体应用取代桌面数据处理应用，成为了许多新兴半导体技术的主要研发目标。DRAM也厂商正经历着惨烈大整合赛，陆续往移动应用商机靠拢。

种种迹象表明非挥发性存储技术是这一新的应用中成长最快的技术之一，它满足了人们对低能耗的需求，有助于减少电池尺寸，减轻电池重量，延长能源设备的续航时间。非挥发性存储技术逐步替代DRAM也不过是这几年的事。这一替代主要是由OEM厂商所推动，目的是减少某些应用中与存储相关的能源消耗，可以在广泛意义上看作是NAND发展的延伸。这一趋势也正是OEM厂商在非挥发性存储技术带来的性能不断扩大的技术背景下如何识别和寻找新机会的缩影。

这一改变使传统的庞大且单一的DRAM产品基础被割裂开来，为注入其它类型的高性能的非挥发性存储技术提供了机会。

移动市场

图1 移动数据应用的爆炸性增长

这一影响深刻、范围广泛的产品变革潮流为许多新兴企业（如Adesto technologies）进入市场提供了机会，其所面临的首轮试水就是移动低功率应用。

图1反映了这一细分市场的爆炸性增长，这只是一个保守的评估。Convergent Semiconductors，一家专注于半导体市场转型及战略分析的研究机构，认为随着全球经济的平稳复苏，以及新兴经济体国家新市场的发展，将会把市场增长率推向更高。

纵观那些高速增长的移动产品，如智能手机、平板电脑、电子阅读器等，其6年复合年均增长率达39%。这些产品家族都属于移动转型机遇的一部分，在全球半导体市场挣扎求存的2009年，这些移动产品增长却高达138%。2011年，Convergent Semiconductors曾提出预期增长超过33%，并预计到2016年每年增速将保持35%以上。以上的统计只是针对纯设备的，还没有包含产品携带的应用软件销售所带来更加可观的收益增长在内。

乍一看，移动设备的存储容量要低于那些面向数据的计算设备（如pc）。但这是一个具有创新增长点的细分领域，在这当中不论是现有的还是新进的移动设备都有两位数的增长率。

值得考虑的是虽然移动应用是DRAM应用中增长速度最快的细分领域，但移动应用并不单纯由现有的DRAM技术所推动。移动应用是实现从DRAM到非挥发性存储技术转型的一个窗口。内存子系统的价值将会在向移动系统设计转变的过程中得到增强。广泛的移动应用将推动半导体技术的发展，设计者会将不同的内存子系统根据地域、价格、性能的不同应用到差异性的产品中。

面向移动时代的非挥发性存储技术

在高速成长的移动市场的推动下，十年来，世界上出现了几项具有突破性的存储器技术，使业界标准技术被淘汰出局，并扩大了闪存技术的应用领域。业内广泛接受的观点是，任何一项技术如果取得成功，就会在未来十年内变为产品。目前，业界对两大类全新的非挥发性存储器进行了可行性调研，其中一类是基于无机材料的存储器技术，如导电桥接存储器（CBRAM）、铁电存储器(FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)或相变存储器(PCM)，另一类存储器技术则基于有机材料，铁电或导电开关聚合物。

在目前已调研的两大类新的非挥发性存储器技术中，基于铁电或导电开关聚合体的有机材料的存储器技术还不成熟，处于研发阶段。某些从事这类存储器材料研究的研发小组开始认为，这个概念永远都不会变成真正的产品。事实上，使这些概念符合标准CMOS集成要求及其制造温度，还需要解决几个似乎难以逾越的挑战。另一方面，业界对基于无机材料的新非挥发性存储器概念的调研时间比较长，并在过去几年发布了几个产品原型。

导电桥接存储器（CBRAM）

图3 FeRAM单元架构方案

CBRAM曾经被称作可编程金属化单元（programmable metallization cell，PMC），是由亚利桑那州立大学开发的一种非挥发存储技术。最早推出CBRAM的公司是Adesto。2010年的非挥发性内存研讨会上，Adesto宣布了以PMC技术为基础的130nm工艺制造的CBRAM。此CBRAM存储器件保持时间可达10年，工作电压1V，写入电流小于60μA，单元写入时间小于5μs、擦除时间小于10μs。CBRAM存储器的核心是存储器件，而CBRAM器件本身是一种新型的器件结构，在众多的新型非挥发存储器中也是被大家所看好的一个。

CBRAM器件的结构是金属/固态电解质/金属的三层结构。CBRAM单元的其中一个电极选用具有电化学活性的金属材料，如Ag或Cu，通常被称作阳极（anode）；另一个电极选用具有电化学惰性的金属，如铂(Pt)、铱(Ir)或钨(W)，通常被称作阴极(cathode)。两个金属电极中间的材料是一层薄膜。

图2 CBRAM器件结构示意图

从性能上看，CBRAM速度、集成度、功耗和成本上会很大的优势，而且使用的是CMOS工艺制造。因此，只要能够量产CBRAM的应用前景将非常可观。

铁电存储器(FeRAM)

早在上个世纪90年代就出现了FeRAM技术概念。虽然在研究过程出现过很多与新材料和制造模块有关的技术难题，但是，经过十年的努力，即便固有的制程缩小限制，技术节点远远高于闪存，铁电存储器现在还是实现了商业化。这个存储器概念仍然使用能够被电场极化的铁电材料。温度在居里点以下时，立方体形状出现晶格变形，此时铁电体发生极化；温度在居里点以上时，铁电材料变成顺电相。到目前为止，业界已提出多种FeRAM单元结构（如图3所示），这些结构属于两种方法体系，一种是把铁电材料集成到一个单独的存储元件内，即铁电电容器内（在双晶体管/双电容(2T2C)和单晶体管/单电容(1T1C)两种元件内集成铁电材料的方法），另一种是把铁电材料集成到选择元件内，即铁电场效应晶体管内。所有的FeRAM架构都具有访存速度快和真证的随机访问所有存储单元的优点。今天，FeRAM技术研发的主攻方向是130nm制程的64Mb存储器。

磁阻存储器(MRAM)

多年来，磁隧道结(MTJ)存储单元(如图4所示)一直是MRAM研发人员的主要研发工作，MTJ由一个晶体管和一个电阻组成(1T/1R)。这些技术是利用隧道结与磁阻材料整合产生的特殊效应：当施加一个磁场时，电阻就会发生变化。访存速度极快的无损性读取性能是确保高性能、读写次数相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺点是该技术固有的写操作电流过高和技术节点缩小受限。为了克服这两大制约因素，业界最近提出了自旋转移矩RAM(SPRAM)解决方案，这项创新技术是利用自旋转换矩引起的电流感应式开关效应。尽管这一创新方法在一定程度上解决了MRAM的一些常见问题，但是还有很多挑战等待研究人员克服（例如：自读扰动、写次数、单元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb阵列180nm制程的产品。

相变存储器(PCM)

图4 采用MTJ 1T1R方法的MRAM单元架构

PCM利用温度变化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相态逆变的特性。基本单元结构由一个晶体管和一个电阻构成(1T/1R)，利用电流引起的焦耳热效应对单元进行写操作，通过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取存储单元。虽然这项技术最早可追溯到上个世纪70年代，但是直到最近人们才重新尝试将其用于非挥发性存储器（采用相变合金的光电存储设备取得商业成功，也促进了人们发现性能更优异的相变材料结构的研究活动），相变存储器证明其具有达到制造成熟度的能力。从应用角度看，PCM特别适用于消费电子、计算机、通信三合一电子设备的存储器系统。具体地讲，在无线系统中，PCM可用作代码执行存储器；PCM可用作可改写只读存储器，保存处理频率最高的数据结构以外的全部数据结构，在固态存储子系统中，保存经常访问的页面；在立即处理数据时，保存更容易管理的数据元素；计算机平台可利用其非挥发性。

PCM技术研发正沿着不同的路线并行前进。主流的开发路线将是采用BJT选定的单元，沿着光刻技术发展路线，缩小现有技术架构，提供最小的单元尺寸。除广泛使用的Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一个重要的研究领域，因为这可能会开创全新的应用领域；结晶速度极快或结晶温度更高的合金将会更有吸引力。

总之，在替代DRAM的非挥发性存储器当中，上述几项非挥发性存储技术都具备了进入广阔市场的能力表现，被视为下一个十年的主流存储器技术。未来，随着现有技术的不断成熟，技术节点缩小能力的不断增强，以及新材料和新架构应用范围的进一步扩大，这一切为非挥发性存储器技术未来十年在存储器市场发挥重要作用铺平了道路。