下一代存储器追求“通用”，何种技术将主沉浮？

现在，随着大家对“不久的将来，DRAM和闪存器件在体积上将不会有所变化”的疑虑不断增加，人们开始关注下一代(或称通用存储)技术，而其中许多技术，更被冠以“DRAM和闪存接班人”的称号。事实上，这些竞争技术中不乏广泛遭质疑者，如：铁电RAM(FeRAM)、磁性RAM(MRAM)、相变RAM以及其它相变技术。

但是毫无疑问，下一代存储器市场的竞争一定会十分激烈，而目前也很难判定哪种技术将在潜能巨大的通用存储器业务中胜出。根据iSuppli公司预测，截至2019年，该市场的规模将达到763亿美元。而成本和制造问题也将造成大多数候选技术远离主流应用。

大部分技术将仍是“纸老虎”，美光公司NAND开发副总裁Frankie Roohparvar指出。

然而，寻找一种新的存储器解决方案是目前的当务之急，存储巨头三星公司的半导体业务部门总裁兼CEO Chang-Gyu Hwang表示。该公司最新的DRAM和NAND闪存产品，分别采用了50nm和40nm工艺技术。但是在20nm及更小工艺，即可怕的“深纳米(deep nanoscale)”时代，目前的DRAM和闪存技术将面临各种工艺缩小所带来的障碍，Hwang指出。

“随着硅技术进入深纳米时代，越来越多的人开始关心半导体技术能否跟上工艺节点的步伐。”Hwang表示，“晶体管缩小终有极限，并且随着制造成本上涨，制造利润也变得越来越小。虽然大多数专家相信，即使工艺节点缩小到20nm，硅技术仍将保持其领先地位，但是在20nm以下，将出现大量由基础以及特殊应用引发的障碍，从而阻挠工艺节点的进一步缩小。”

节点缩小引发问题

即使是今天的存储器件，在某种程度上也遭遇到了困难。例如，DRAM供应商联合相应的逻辑厂商，试图每18个月将产品存储密度翻一倍。这些供应商已经发布了基于50nm工艺的产品。“在50nm以下，我们或许需要针对DRAM中的阵列晶体管进行突破。”Hwang指出。三星正在开发一款体接触(body-tied)鳍式场效应管(FinFET)，这种技术可以将DRAM工艺降到30nm。

闪存方面也存在类似问题，特别是NAND。事实上，NAND供应商的更新速度比摩尔定律还要快，他们的产品密度几乎每年就会翻一倍，美光的Roohparvar表示。这造成了NAND供应商和其光刻设备供应商之间的严重脱节，特别是针对50nm“半间距”节点及更先进的工艺而言。

“我们已经做好进入市场的准备，但是设备供应商却没有准备好为我们提供设备。”Roohparvar透露。

设备制造商ASML Holding NV和尼康公司，已经分别付运了193nm的浸没式光刻工具，并承诺能生产工艺尺寸低至40nm的芯片。但芯片制造商仍在犹豫，是否将这些新型且昂贵的产品投入生产线，专家们指出。

然而，缩小工艺节点或许才是闪存供应商面临的最大挑战。浮动栅结构是传统的NOR和NAND器件中的关键部分，但许多人质疑这种技术还能走多远。

英特尔公司闪存技术集成部总监Been-Jon Woo却认为，浮动栅结构至少能发展到2010年末。“那以后，我们才将不得不做出一些重大改变。”Woo表示。

已经有公司开始着手缩小NAND的制造节点。去年9月，三星曾推出采用40nm工艺制造的32Gb NAND芯片，该芯片不再采用浮动栅结构，而是采用了被三星称为电荷捕获闪存(CTF)的专有氧-氮-氧层结构。三星宣称，这种技术可以更容易地将NAND缩小至20nm节点。

其它一些技术也在为争夺下一代非易失性存储器主导地位而竞争，其中三个基本候选技术分别是：FeRAM、MRAM和所谓的相变技术。

基于FeRAM和MRAM的产品已经面市，但在可预见的未来，它们仍然只能面向“小众”市场，以SRAM替代品的身份存在，美光的Roohparvar指出。

相变技术活跃

在众多以相变技术为基础所作的努力中，双向通用存储器(OUM)颇令人关注。早在1970年，Energy Conversion Devices公司推出了OUM技术。尽管该技术当时得到了英特尔、三星、ST和其它公司的支持，但是直到一个世纪后，OUM才真正进入商业市场，分析师们指出。

OUM技术依据的是硫化材料的电子感应相变原理，但是这种硫化材料一直以来都很难可靠地批量生产。相变材料的晶态和非晶态代表了“0”和“1”，只要在上面施加少量的复位电流就能触发这两个状态的切换。

在不久前于美国举行的IEEE国际电子器件会议(IEDM)上，数家公司都声称自己在相变存储器方面取得了重大突破，尽管这些工作目前还停留在研发阶段。其中，IBM、旺宏(Macronix)和奇梦达(Qimonda)纷纷透露自己已经开发出可靠的相变存储器原型，其切换速度比传统的闪存技术快500多倍。这种器件的横截面只有3×20nm，据说只用不到一半的功率就能将数据写入单元。

图1：IBM、旺宏和奇梦达共同开发的相变存储器，切换速度比传统的闪存技术快500多倍。

图2：扫描电子显微镜的图像中显示的，是一个为原理论证评估而制造的超薄存储器测试单元。

该器件的核心是微型的半导体合金块，这些合金块可以在有序的晶相以及无序的非晶相间来回变换。这种新的存储材料是一种锗锑合金，为了增强性能还在上面增加了少量其它元素。

日立和瑞萨则另辟蹊径，据报道，他们正在开发中的相变存储技术有重大改进。他们设计的新颖之处在于：在连接MOS晶体管的接头和相变薄膜之间使用了一层五氧化钽分界层，这种金属分界层是一种标准的硫化锗锑碲合金。这种技术能实现一种新型高级微控制器，两家公司表示。

三星也不甘示弱，它们详细阐述了另外一种相变技术，即相变RAM(PRAM)。此外，他们还透露已成功采用90nm工艺开发出512Mb的PRAM。

三星将其作为NOR闪存的最终替代品。PRAM类似于CD和CD驱动器中所采用的技术，在PRAM中，电流将硫化薄膜加热至晶态或非晶态，两种状态下的电阻率有很大差别，从而可判读为0或1。

通过结合目前的NAND技术与3D堆叠技术，三星选择了完全不同的方向。在IEDM上，三星首次展示了一种超高密度的闪存器件，这种器件依次垂直堆叠了32位的NAND单元阵列或结构，并采用了63nm工艺。

这种方式是依靠单晶层堆叠技术实现的。NAND单元阵列建立在层间电介质上，因此无需增加芯片尺寸就能使密度提高2倍。据说该技术能做到30nm节点及以下。

事实上，存储器供应商必须尝试多种方法才能找到合适的技术，三星的Hwang表示。“这些解决方案中不仅包括三维技术，还包括分子级的非硅技术。”他总结道。

作者：马立得