DRAM的發(fā)展方向

　　對(duì)于 DRAM，主要目標(biāo)是繼續(xù)將 1T-1C 單元的封裝尺寸擴(kuò)大到 4F2 的實(shí)際極限。挑戰(zhàn)在于垂直晶體管結(jié)構(gòu)、高 κ 電介質(zhì)以提高電容密度，同時(shí)保持低泄漏。一般來(lái)說(shuō)，DRAM 的技術(shù)要求隨著縮放而變得更加困難。在過(guò)去的幾年中，DRAM 引入了許多新技術(shù)（例如，193 nm 氟化氬 (ArF) 浸沒(méi)式High NA 光刻技術(shù)和雙圖形技術(shù)、改進(jìn)的單元 FET 技術(shù)，包括鰭型晶體管、掩埋字線/單元 FET 技術(shù)等等）。

　　由于 DRAM 存儲(chǔ)電容器在物理上隨著尺寸縮小而變小，因此等效氧化物厚度 (EOT) 必須急劇縮小以保持足夠的存儲(chǔ)電容。為了擴(kuò)展 EOT，需要具有高相對(duì)介電常數(shù) (κ) 的介電材料。因此，采用高κ(ZrO2/Al2O/ZrO2)的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器作為接地規(guī)則在48nm和30nm半間距之間的DRAM的電容器。和這個(gè)材料進(jìn)化和改進(jìn)一直持續(xù)到 20 nm HP 和超高 κ（鈣鈦礦 κ > 50~100）材料被釋放。此外，高 κ 絕緣體的物理厚度應(yīng)按比例縮小以適應(yīng)最小特征尺寸。因此，電容器的 3-D 結(jié)構(gòu)將從圓柱形變?yōu)橹巍?/p>

　　另一方面，隨著外圍CMOS器件的微縮，這些器件形成后的工藝步驟需要低溫工藝流程。這對(duì)于通常在 CMOS 器件形成后構(gòu)建的 DRAM 單元工藝來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此僅限于低溫處理。DRAM 外圍設(shè)備要求可以放寬 Ioff 但需要更多 Ion 的低待機(jī)功耗 (LSTP) 設(shè)備。但是，在未來(lái)，將需要高 κ 金屬柵極來(lái)維持性能。

　　另一個(gè)重要主題是從 6F2 到 4F2 cell的遷移。由于半間距縮放變得非常困難，因此不可能維持成本趨勢(shì)。保持成本趨勢(shì)并逐代增加總比特輸出的最有希望的方法是改變單元尺寸因子 (a) 縮放比例（其中 a = [DRAM 單元尺寸]/[DRAM 半間距]）。目前 6F2（a = 6）是最常見(jiàn)的。例如，垂直單元晶體管是必需的，但仍然存在一些挑戰(zhàn)。另一種選擇是使用 3D DRAM。

　　總之，需要保持足夠的存儲(chǔ)電容和足夠的單元晶體管性能以在未來(lái)保持保留時(shí)間特性。他們的困難要求正在增加，以繼續(xù)擴(kuò)展 DRAM 設(shè)備并獲得更大的產(chǎn)品尺寸（即 >16 Gb）。除此之外，如果與引入新技術(shù)相比，成本微縮的效率變差，那么DRAM微縮將會(huì)停止，而采用3D單元堆疊結(jié)構(gòu)，或者采用新的DRAM概念。

　　Flash的演進(jìn)方式

　　有幾種交叉的存儲(chǔ)器技術(shù)具有一個(gè)共同的特征——非易失性。要求和挑戰(zhàn)因應(yīng)用而異，范圍從僅需要 Kb 存儲(chǔ)的 RFID 到芯片中數(shù)百 Gb 的高密度存儲(chǔ)。非易失性存儲(chǔ)器可分為兩大類——閃存（NAND Flash 和 NOR Flash）和非基于電荷的存儲(chǔ)存儲(chǔ)器。非易失性存儲(chǔ)器基本上無(wú)處不在，許多應(yīng)用程序使用通常不需要前沿技術(shù)節(jié)點(diǎn)的嵌入式存儲(chǔ)器。More Moore 非易失性存儲(chǔ)器表僅跟蹤前沿獨(dú)立部件的存儲(chǔ)器挑戰(zhàn)和潛在解決方案。

　　閃存基于簡(jiǎn)單的單晶體管 (1T) 單元，其中晶體管既用作訪問(wèn)（或單元選擇）設(shè)備又用作存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。目前閃存服務(wù)于99%以上的應(yīng)用。

　　當(dāng)存儲(chǔ)電子的數(shù)量達(dá)到統(tǒng)計(jì)極限時(shí)，即使可以進(jìn)一步縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)更小的單元，存儲(chǔ)器陣列中所有器件的閾值電壓分布也變得不可控，邏輯狀態(tài)不可預(yù)測(cè)。因此，存儲(chǔ)密度不能通過(guò)持續(xù)縮放基于電荷的設(shè)備來(lái)無(wú)限增加。然而，通過(guò)垂直堆疊存儲(chǔ)層可能會(huì)繼續(xù)有效提高密度。

　　通過(guò)完成一個(gè)設(shè)備層然后完成另一層等等來(lái)堆疊的經(jīng)濟(jì)性值得懷疑。如圖 MM-9 所示，在堆疊幾層設(shè)備后，每位成本開(kāi)始上升。此外，由于復(fù)雜處理增加的互連和良率損失導(dǎo)致陣列效率下降，可能會(huì)進(jìn)一步降低此類 3D 堆疊的每比特成本優(yōu)勢(shì)。

　　在2007 年，業(yè)內(nèi)提出了一種“punch and plug”方法來(lái)垂直制造位線串，以大大簡(jiǎn)化加工步驟。這種方法使 3D 堆疊設(shè)備只需幾個(gè)步驟，而不是通過(guò)重復(fù)處理，從而為 NAND 閃存提供了一條新的低成本擴(kuò)展路徑。圖 MM-9 說(shuō)明了一種這樣的方法。最初創(chuàng)造的bit-cost-scalable（或 BiCS）架構(gòu)將 NAND 串從水平位置轉(zhuǎn)為垂直位置 90 度。字線（WL）保持在水平面上。如圖 MM-9 所示，這種類型的 3D 方法比完整設(shè)備的堆疊要經(jīng)濟(jì)得多，并且成本效益不會(huì)達(dá)到相當(dāng)高的層數(shù)。

　　自 2007 年以來(lái)，已經(jīng)提出了許多基于 BiCS 概念的架構(gòu)，當(dāng)中包括一些使用浮柵而不是電荷捕獲層進(jìn)行存儲(chǔ)的架構(gòu)，這些技術(shù)在過(guò)去 2-3 年中已經(jīng)投入量產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，所有 3D NAND 方法都采用了一種策略，即使用比傳統(tǒng) 2D NAND 大得多的面積占用空間。3D NAND 的 x 和 y 尺寸（相當(dāng)于 2D 中的單元尺寸）在 100nm 范圍內(nèi)甚至更高，而最小的 2D NAND 約為 15nm。更大的“單元尺寸”是通過(guò)堆疊大量存儲(chǔ)層來(lái)實(shí)現(xiàn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的封裝密度的。

　　3D NAND 的經(jīng)濟(jì)性因其復(fù)雜而獨(dú)特的制造需求而變得更加混亂。盡管較大的單元尺寸似乎放寬了對(duì)細(xì)線光刻的要求，但要實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，最好使用large page size尺寸，而這又會(huì)轉(zhuǎn)化為細(xì)間距位線和金屬線。因此，即使單元尺寸很大，金屬線仍然需要約 20nm 的半間距，這只能通過(guò)具有雙圖案的 193i 光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。深孔刻蝕難度大、速度慢，刻蝕產(chǎn)量一般很低。沉積多層電介質(zhì)和/或多晶硅，以及多層膜和深孔的計(jì)量都是對(duì)陌生領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。這些都轉(zhuǎn)化為對(duì)新設(shè)備和占地面積的大量投資，以及對(duì)晶圓流和良率的新挑戰(zhàn)。

　　最終的未知數(shù)是可以堆疊多少層。

　　層的堆疊似乎沒(méi)有硬性物理限制。超過(guò)一定的縱橫比（也許是 100:1？）時(shí)，當(dāng)反應(yīng)離子蝕刻過(guò)程中的離子被側(cè)壁上的靜電荷彎曲并且不能進(jìn)一步向下移動(dòng)時(shí)，蝕刻停止（etch-stop）現(xiàn)象可能會(huì)限制一次操作中可以蝕刻的層數(shù) . 然而，這可以通過(guò)堆疊更少的層、蝕刻和堆疊更多的層（以更高的成本）來(lái)繞過(guò)。

　　堆疊許多層可能會(huì)產(chǎn)生使晶圓彎曲的高應(yīng)力，盡管這需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，但它似乎并不是無(wú)法解決的物理極限。即使在 200 層（每層約 50nm）時(shí)，總堆疊高度約為 10?m，仍然與邏輯 IC 的 10-15 層金屬層處于同一范圍內(nèi)。這種層厚度不會(huì)顯著影響裸芯片厚度（目前最薄約為 40?m）。

　　然而，在 1000 層時(shí)，總層厚度可能會(huì)導(dǎo)致厚die不符合在薄封裝中堆疊多個(gè)die（例如，16 或 32）的形狀因數(shù)。目前量產(chǎn)176層，300+層有望實(shí)現(xiàn)，甚至500、800層也有可能。除了處理挑戰(zhàn)之外，堆疊更多層還增加了接觸更多字線所需的面積開(kāi)銷。該區(qū)域開(kāi)銷，加上增加的處理復(fù)雜性，最終將通過(guò)添加更多層來(lái)降低成本效益。

　　當(dāng)堆疊更多層被證明太困難時(shí)，面積 x-y 足跡的重新縮小可能最終會(huì)開(kāi)始。然而，這種趨勢(shì)并不能保證。如果孔縱橫比是限制因素，那么縮小占位面積不會(huì)降低該比率，因此也無(wú)濟(jì)于事。此外，與緊密間距的 2D NAND 相比，更大的單元尺寸似乎至少部分有助于 3D NAND 的更好性能（速度和循環(huán)可靠性）。x-y 縮放是否仍能提供這樣的性能尚不清楚。

　　因此，未來(lái)幾代的路線圖預(yù)測(cè)在 2022 年與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)保持一致。另一方面，增加每個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)位數(shù)雖然在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但似乎取得了進(jìn)展。這在一定程度上是為了利用 3D NAND 器件本質(zhì)上更大，因此存儲(chǔ)的電子更多，更容易制成更多的邏輯電平。

　　目前 4 位/單元器件 (QLC) 正在量產(chǎn)，并且樂(lè)觀地認(rèn)為 5 位/單元甚至更多可能在不久的將來(lái)變得可行。一個(gè)單元中更多的存儲(chǔ)位需要在性能上做出一些折衷，因?yàn)樗枰L(zhǎng)的時(shí)間來(lái)編程和讀取，并且在將邏輯電平壓縮在一起時(shí)可靠性會(huì)受到影響。然而對(duì)于許多讀取密集型應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，為了降低成本，這種權(quán)衡是可以接受的。

　　新興存儲(chǔ)的不確定性

　　由于存儲(chǔ)電荷太少，2D NAND Flash 縮放受到統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的限制，一些不基于電荷存儲(chǔ)的非常規(guī)非易失性存儲(chǔ)器（鐵電或 FeRAM、磁性或 MRAM、相變或 PCRAM，以及電阻或 ReRAM）正在開(kāi)發(fā)中，形成通常稱為“新興”存儲(chǔ)器的類別。

　　盡管 2D NAND 正在被 3D NAND 取代（不再受制于電子太少的缺點(diǎn)），但基于非電荷的新興存儲(chǔ)器的一些特性（例如低電壓操作或隨機(jī)存?。┱诒桓鞣N各樣的應(yīng)用關(guān)注從而獲得繼續(xù)發(fā)展的機(jī)會(huì)。這些新興的存儲(chǔ)器通常具有兩端結(jié)構(gòu)（例如，電阻器或電容器），因此很難同時(shí)用作單元格選擇設(shè)備。存儲(chǔ)單元一般以1T-1C、1T-1R或1D-1R的形式結(jié)合單獨(dú)的存取器件。

　　1　FeRAM：鐵隨機(jī)存儲(chǔ)器

　　FeRAM 器件通過(guò)切換和感測(cè)鐵電電容器的極化狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性。要讀取內(nèi)存狀態(tài)，必須跟蹤鐵電電容器的磁滯回線( hysteresis loop)，并且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被破壞并且必須在讀取后寫回（破壞性讀取，如 DRAM）。由于這種“破壞性讀取”，找到既能提供足夠的極化變化又能在延長(zhǎng)的工作周期內(nèi)保持必要穩(wěn)定性的鐵電材料和電極材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　　許多鐵電材料對(duì)于 CMOS 制造材料的正常補(bǔ)充來(lái)說(shuō)是陌生的，并且可以通過(guò)傳統(tǒng)的 CMOS 處理?xiàng)l件退化。FeRAM 速度快、功耗低、電壓低，因此適用于 RFID、智能卡、ID 卡和其他嵌入式應(yīng)用。處理難度限制了它的廣泛采用。最近，提出了基于 HfO2 的鐵電 FET，其鐵電性用于改變 FET 的 Vt，從而可以形成類似于閃存的 1T 單元。如果開(kāi)發(fā)成熟，這種新存儲(chǔ)器可以用作低功耗且速度非?？斓念愃崎W存的存儲(chǔ)器。

　　2  MRAM：磁性內(nèi)存

　　MRAM (Magnetic RAM) 設(shè)備采用磁性隧道結(jié) (MTJ：magnetic tunnel junction) 作為存儲(chǔ)元件。MTJ 單元由兩種鐵磁材料組成，由用作隧道勢(shì)壘的薄絕緣層隔開(kāi)。當(dāng)一層的磁矩切換為與另一層對(duì)齊（或與另一層的方向相反）時(shí)，電流流過(guò) MTJ 的有效電阻會(huì)發(fā)生變化?？梢宰x取隧道電流的大小以指示存儲(chǔ)的是“一”還是“零”。場(chǎng)切換 MRAM 可能是最接近理想的“通用存儲(chǔ)器”的，因?yàn)樗欠且资缘摹⒖焖俚牟⑶铱梢詿o(wú)限循環(huán)。因此，它可以用作 NVM 以及 SRAM 和 DRAM。

　　然而，在 IC 電路中產(chǎn)生磁場(chǎng)既困難又低效。盡管如此，F(xiàn)ield Switching MTJ MRAM已經(jīng)成功制成產(chǎn)品。然而，當(dāng)存儲(chǔ)元件縮放時(shí)，切換所需的磁場(chǎng)會(huì)增加，而電遷移會(huì)限制可用于產(chǎn)生更高 H 場(chǎng)的電流密度。因此，預(yù)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān) MTJ MRAM 不太可能擴(kuò)展到 65nm 節(jié)點(diǎn)以上。

　　“STT(spin-transfer torque )”方法的最新進(jìn)展提供了一種新的潛在解決方案，其中自旋極化電流將其角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到自由磁性層，從而在不借助外部磁場(chǎng)的情況下反轉(zhuǎn)其極性。在自旋轉(zhuǎn)移過(guò)程中，大量電流通過(guò) MTJ 隧道層，這種應(yīng)力可能會(huì)降低寫入耐久性。在進(jìn)一步縮放時(shí)，存儲(chǔ)元件的穩(wěn)定性會(huì)受到熱噪聲的影響，因此預(yù)計(jì)在 32nm 及以下需要垂直磁化材料。最近已經(jīng)證明了垂直磁化。

　　隨著NAND Flash的快速發(fā)展，以及最近推出的有望繼續(xù)等效縮放的3D NAND，STT-MRAM取代NAND的希望似乎渺茫。然而，其類似 SRAM 的性能和比傳統(tǒng) 6T-SRAM 小得多的占用空間在該應(yīng)用中引起了極大的興趣，特別是在不需要高循環(huán)耐久性的移動(dòng)設(shè)備中，例如在計(jì)算中。因此，STT-MRAM 現(xiàn)在大多不被視為獨(dú)立內(nèi)存，而是嵌入式內(nèi)存 ，并且不在獨(dú)立 NVM 表中進(jìn)行跟蹤。

　　STT-MRAM 不僅是嵌入式 SRAM 替代品的潛在解決方案，也是嵌入式閃存 (NOR) 替代品的潛在解決方案。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能特別有趣，因?yàn)榈凸氖亲钪匾?。另一方面，?duì)于使用更高存儲(chǔ)密度的其他嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，預(yù)計(jì) NOR 閃存將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗匀桓叱杀拘б?。此外，閃存能夠承受 PCB 板焊接過(guò)程（約 250°C）而不會(huì)丟失其預(yù)加載代碼，這是眾所周知的，許多新興存儲(chǔ)器尚未能夠證明這一點(diǎn)。

　　3　PCRAM

　　PCRAM 器件使用硫?qū)倩锊ＡВㄗ畛Ｓ玫幕衔锸?Ge2Sb2Te5，或 GST）的非晶態(tài)和晶態(tài)之間的電阻率差異來(lái)存儲(chǔ)邏輯電平。該器件由頂部電極、硫族化物相變層和底部電極組成。泄漏路徑被與相變?cè)?lián)的存取晶體管（或二極管）切斷。

　　相變寫入操作包括：(1) RESET，其中硫族化物玻璃通過(guò)短電脈沖瞬間熔化，然后快速淬火成具有高電阻率的非晶固體，以及 (2) SET，其中振幅較低但更長(zhǎng)脈沖（通常 >100ns）將非晶相退火為低電阻晶態(tài)。1T-1R（或 1D-1R）單元比 NOR Flash 更大或更小，取決于使用的是 MOSFET 還是 BJT（或二極管。該設(shè)備可以被編程為任何最終狀態(tài)而無(wú)需擦除先前狀態(tài)，從而提供更快的編程吞吐量。簡(jiǎn)單的電阻器結(jié)構(gòu)和低電壓操作也使 PCRAM 對(duì)于嵌入式 NVM 應(yīng)用具有吸引力。

　　PCRAM 的主要挑戰(zhàn)是重置相變?cè)璧母唠娏鳎╢raction of mA），以及相對(duì)較長(zhǎng)的設(shè)置時(shí)間和高溫耐受性以在回流焊期間（約 250°C）保留預(yù)加載代碼。熱干擾是 PCRAM 可擴(kuò)展性的潛在挑戰(zhàn)。然而，熱干擾效應(yīng)是非累積的（不像閃存，其中導(dǎo)致電荷注入的編程和讀取干擾是累積的）并且較高溫度的RESET脈沖很短（10ns。相變材料與電極的相互作用可能會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期的可靠性問(wèn)題并限制循環(huán)耐久性，是類 DRAM 應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。與 DRAM 一樣，PCRAM 是真正的隨機(jī)存取、位可變存儲(chǔ)器。

　　已經(jīng)使用碳納米管作為電極證明， PCRAM 器件可以做到 < 5nm 的可擴(kuò)展性，并且復(fù)位電流遵循較大器件的外推線。至少在一個(gè)案例中，證明了 1E11 的循環(huán)耐力。相變存儲(chǔ)器從2011年開(kāi)始用于功能手機(jī)，取代NOR Flash，2012年開(kāi)始在~45nm節(jié)點(diǎn)量產(chǎn)，但此后沒(méi)有新產(chǎn)品推出。在過(guò)去的幾年中，PCM 存儲(chǔ)器也被瞄準(zhǔn)為嵌入式應(yīng)用程序的 eFlash 替代品的潛在候選者 。在這些工作中，不同類別的相變材料的合金化允許獲得符合焊接回流的存儲(chǔ)器；然而，如此高的溫度穩(wěn)定性是以較慢的寫入速度為代價(jià)的。

　　4　ReRAM：電阻式存儲(chǔ)器

　　目前正在研究一大類兩端器件，其中存儲(chǔ)狀態(tài)由金屬-絕緣體-金屬 (MIM：metal-insulator-metal ) 結(jié)構(gòu)的電阻率決定，用于存儲(chǔ)應(yīng)用。其中許多電阻式存儲(chǔ)器仍處于研究階段。由于他們承諾縮小到 10nm 以下，并以極高的頻率 (< ns) 和低功耗運(yùn)行，過(guò)去十年中許多工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研發(fā)工作使這項(xiàng)技術(shù)被廣泛認(rèn)為是 NAND 的潛在繼承者（包括 3D NAND ).

　　作為一種雙端器件，高密度 ReRAM 的發(fā)展一直受到缺乏良好選擇器器件的限制。然而，3D XP 內(nèi)存的最新進(jìn)展似乎已經(jīng)解決了這個(gè)瓶頸，如果解決了不穩(wěn)定位等其他技術(shù)問(wèn)題，ReRAM 可能會(huì)取得快速進(jìn)展。除了 3D XP 陣列（類似于基于 PCRAM 的 3D XP 存儲(chǔ)器）之外，還可以使用 2D 陣列和小字線 (WL) 和小位線 (BL) 半間距制造高密度 ReRAM 產(chǎn)品。

　　此外，如果最終采用 OTS 類型的選擇器器件，那么使用底部的晶體管和 3D 陣列中每個(gè) ReRAM 器件的 OTS 選擇器來(lái)制造 BiCS 型 3D ReRAM 似乎是可行的，如圖 MM-10 所示。盡管由于引入 3D XP 內(nèi)存似乎解決了雙極選擇器設(shè)備的瓶頸，但尚未推出高密度 ReRAM 產(chǎn)品，但可以合理預(yù)期 ReRAM 的進(jìn)展。

　　然而最近，開(kāi)發(fā)高密度 ReRAM 的熱情似乎消退了。這可能是由于兩個(gè)原因。(1) 3D NAND Flash的成功增加了進(jìn)入門檻， (2) 難以滿足大型陣列的可靠性要求。（請(qǐng)注意，針對(duì)嵌入式應(yīng)用程序的較小 Mb 大小陣列成功開(kāi)發(fā) ReRAM 已發(fā)布多項(xiàng)公告。）

　　在過(guò)去的幾年中，上述這些問(wèn)題似乎注定了高密度 ReRAM 的大規(guī)模應(yīng)用。最初關(guān)于 ReRAM 由數(shù)千個(gè)原子組成，不受統(tǒng)計(jì)波動(dòng)影響的論點(diǎn)現(xiàn)在看來(lái)值得懷疑。似乎操作 ReRAM 的燈絲僅由幾個(gè)原子（離子）組成。似乎有證據(jù)表明，即使是相對(duì)較大的 ReRAM 設(shè)備也會(huì)受到統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的影響。因此，我們不看好高密度應(yīng)用的 ReRAM。

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