主流存儲器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體存儲器可以簡單分成易失性存儲器和非易失性存儲器，易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）為主，非易失存儲器反而不斷有新的技術(shù)出來。除了主流的電荷捕獲（charge trap）存儲器外，還有鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）。

鐵電存儲器與DRAM類似，是基于電荷存儲機制，傳統(tǒng)的鐵電存儲器由于存在微縮化的問題，僅僅在0.13μm節(jié)點以上，在RFID、汽車電子等小眾市場（niche market）上實現(xiàn)了產(chǎn)品化。

新型的非易失存儲器PRAM、MRAM和RRAM主要通過器件電阻的變化來存儲信息。

主流的存儲器最重要市場份額有兩大類：DRAM和NAND閃存。圖1給出了其市場的分布，目前DRAM行業(yè)基本上被三星、海力士和美光三家壟斷，大概占了全球市場的95%，NAND市場的壟斷情況更為嚴(yán)重，三星、東芝/閃迪、美光、海力士幾乎壟斷了整個NAND市場，占了全球市場的99.2%。

圖1 全球DRAM、 NAND的市場份額分配

從技術(shù)的角度來看，DRAM發(fā)展過程中研究者也做了很多其他嘗試，例如嘗試capacitor less DRAM，但遺憾的是都沒有成功，目前DRAM依然是一個選通晶體管加一個Capacitor的結(jié)構(gòu)。

在不斷微縮的過程中，選通晶體管可以像邏輯工藝一樣做，但Capacitor做起來非常難，所以DRAM現(xiàn)在到了1Xnm向1Ynm轉(zhuǎn)變的過程遇到了非常大的挑戰(zhàn)。

目前，大容量、高帶寬、低功耗、低成本，是DRAM發(fā)展的一個趨勢，可以考慮從模塊封裝的角度做一些工作。中國長期以來沒有在存儲器里做太多的投入，但目前已經(jīng)有兩家企業(yè)進入到裝機和試產(chǎn)的階段。一個是合肥睿力，直接切入1Xnm技術(shù)進入正面競爭；福建晉華主要面向niche market，這兩家公司預(yù)計在2019年會有少量的產(chǎn)品出來。

NAND技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀主要有兩個方面：1）2D NAND工藝已經(jīng)邁入1z nm階段，三星14 nm、東芝12 nm、SK海力士13 nm、美光15nm已于2015年宣布量產(chǎn)；2）由于2D NAND縮放受限，自2014年開始，3D NAND技術(shù)進入市場，目前Samsung和WD/Sandisk均已量產(chǎn)64層/512Gb的3D NAND，計劃量產(chǎn)96層3D NAND。

中國過去幾十年在存儲器領(lǐng)域雖然沒有太多的投入，但在近幾年有大量的布局。國內(nèi)近幾年在整個IC制造業(yè)的投入是過去幾十年里投入最大的，國家投入的企業(yè)福建晉華、合肥長鑫，而三星3D NAND的量產(chǎn)第一個是西安做的，目前第二期的建設(shè)也已經(jīng)開始。國家在存儲器領(lǐng)域投入最大的一筆資金是支持長江存儲3D NAND的量產(chǎn)。

新型存儲器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

磁存儲器（MRAM）

所有的新型存儲器都是從凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究演變而來。MRAM（magnetic random access memory）最早是由巨磁阻效應(yīng)發(fā)展而來，磁科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)可以在很薄的一個磁性隧道結(jié)里展現(xiàn)出磁阻效應(yīng)，并且在很小的磁場下會有一個巨大的電阻變化?；驹砣鐖D示：這是一個固定層，自旋方向是固定的，中間是遂穿層，如果自由層的自旋方向與固定層一致，整個隧道結(jié)磁阻就比較小，反之磁阻就大，外加電場撤掉后，狀態(tài)依然維持，所以可以用于非易失存儲。磁存儲器有其他存儲器無法抗衡的優(yōu)點，疲勞特性好、速度快，當(dāng)然也存在一些問題，例如傳統(tǒng)的MRAM需要一個特別大的磁場。由磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)向更高性能的電流驅(qū)動（STT-MRAM），臨界電流密度和功耗仍需進一步降低，電控磁化反轉(zhuǎn)是目前研究熱點。目前全球工業(yè)界給予MRAM很多關(guān)注，美國、歐洲、日本和韓國等政府及公司巨資投入開發(fā)，并依靠工藝突破保持技術(shù)領(lǐng)先，包括IBM、Seagate、WD、Headway、TDK、Toshiba、Samsung、Honeywell、Sony、Toshiba等公司。

相變存儲器（PRAM）

相變存儲器（phase-change random access memo，PRAM），是一種新興的非易失性存儲器技術(shù)。相變存儲材料在加熱的情況下可以在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)在高阻態(tài)和低阻態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，工業(yè)界對該項技術(shù)也投入了很大的力量，但非常遺憾，在平面的獨立式存儲上沒有獲得成功。2015年Intel和美光推出的3D Xpoint技術(shù)，為PRAM的量產(chǎn)帶來了新的生機，被譽為20年來存儲器領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，揭開了存儲器層次架構(gòu)演變的新篇章，對于計算機系統(tǒng)的重構(gòu)與優(yōu)化具有深遠(yuǎn)的影響。與DRAM相比，3D X-point不需要刷新，另外DRAM的讀取過程是破壞性的，電荷會丟失，在讀操作后需要重新寫入數(shù)據(jù)，但3D X-point不需要，雖然速度慢一些，但比NAND快很多，同時它的密度又比DRAM大，幾乎可以與NAND相抗衡。

遺憾的是，3D X-point采用是平面堆疊的方式，不像3D NAND的垂直堆疊架構(gòu)，與之帶來的就是高成本，這也是3D X-point技術(shù)進一步發(fā)展的局限性。另外，相變材料基本的原理，就是要在熱的作用下發(fā)生晶態(tài)和非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，所以它對溫度非常敏感，在高溫環(huán)境中的可靠性問題是一個挑戰(zhàn)。

阻變式存儲器（RRAM）

有關(guān)阻變式存儲器（resistive random access memory，RRAM）的第一篇論文也很早，JAP上有一篇文章是關(guān)于所謂電阻效應(yīng)的工作，但并沒有引起多少關(guān)注，因為跟巨磁阻效應(yīng)相比，它的物理重要性并沒有那么大。但在2000年的時候，休斯公司把一個專利賣給了夏普公司，由此引發(fā)RRAM研究熱潮，隨后學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在這方面開展了廣泛的研究工作，RRAM技術(shù)得到了快速發(fā)展。

目前RRAM作為嵌入式存儲器已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是到22 nm節(jié)點以后，eFlash在嵌入式應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，基于后段工藝集成的新型存儲器RRAM、MRAM將成為嵌入式存儲的主要技術(shù)方案。臺積電2017年就宣布，2019年開始在嵌入式應(yīng)用里，RRAM和MRAM都將試產(chǎn)。

目前來看，這兩個技術(shù)（MRAM、RRAM）在嵌入式應(yīng)用里的相對來說更有可能進入量產(chǎn)。新型存儲器現(xiàn)在可能還找不到能夠像當(dāng)年的3D NAND或NAND的應(yīng)用場景，但的確他們有各自的優(yōu)勢和劣勢找到自己的應(yīng)用。

非易失存儲器發(fā)展趨勢

圖2 非易失存儲器基本存儲器單元和集成架構(gòu)的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的閃存技術(shù)獲得巨大成功，但隨著器件尺寸的不斷縮小，遂穿層厚度難以同步減小。如圖2所示，未來非易失存儲器有以下兩種不同的技術(shù)發(fā)展路線：

1）將導(dǎo)電的多晶硅存儲層換成分布式的存儲介質(zhì)，這樣可以降低對阻擋層厚度的要求，能夠把電子禁錮在存儲層里，這種技術(shù)叫電荷俘獲存儲。

2）拋棄原有結(jié)構(gòu)，采用兩端器件作為基本存儲單元。

而在集成架構(gòu)方面，獨立式存儲如果無法實現(xiàn)三維集成，集成密度將無法提升。電荷俘獲存儲器是3D NAND的基礎(chǔ)器件，實現(xiàn)了三維集成。同樣的道理，新型存儲器如何無法實現(xiàn)三維集成將很難在獨立市場上得到應(yīng)用，三維集成是高密度存儲器發(fā)展的主要方向。

中國科學(xué)院微電子研究所相關(guān)存儲器工作

電荷俘獲存儲器

1）從能帶工程出發(fā)，引入新材料/結(jié)構(gòu)，綜合優(yōu)化CTM隧穿層/俘獲層/阻擋層，實現(xiàn)低壓、高速、長數(shù)據(jù)保持和多值存儲。包括采用Al2O3等優(yōu)化阻擋層；TiW等金屬納米晶、Au-Al2O3核殼納米晶、納米石墨烯等作為電荷俘獲材料，并結(jié)合ZrO2、HfO2、HfAlO、HAH等優(yōu)化高k介質(zhì)俘獲層；SiO2/HfO2等優(yōu)化高k介質(zhì)隧穿層。

2）在實驗室工作的基礎(chǔ)上，2008年開始與產(chǎn)業(yè)界合作研發(fā)納米晶閃存，在生產(chǎn)平臺上首次完成納米晶存儲器系統(tǒng)研究；獲得自主產(chǎn)權(quán)納米晶存儲技術(shù)整體解決方案，解決了納米晶存儲材料分布均勻、存儲器物理模型仿真、集成工藝、可靠性及芯片集成等技術(shù)難題；完成了單管結(jié)構(gòu)（1T）、分裂柵結(jié)構(gòu)（1.5T）、存儲管+選擇管結(jié)構(gòu)（2T）三款存儲器件IP研發(fā)（圖3）。

圖3三款存儲器件示意圖

3）與中芯國際合作研制大容量閃存芯片，突破了設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，掌握了核心設(shè)計技術(shù),完成了128Mb和1Gb兩款芯片的設(shè)計、流片和驗證。與SMIC一起完善了閃存芯片的設(shè)計規(guī)則，并幫助優(yōu)化了SMIC的65納米浮柵閃存關(guān)鍵工藝開發(fā)與可靠性。在閃存芯片設(shè)計與制造技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，后續(xù)與國內(nèi)的設(shè)計公司聯(lián)合進行閃存產(chǎn)品設(shè)計。4）合作開發(fā)3D-NAND技術(shù)。2014年10月，中國科學(xué)院微電子研究所與武漢新芯集成電路制造有限公司（以下簡稱武芯）簽署了“關(guān)于先進存儲器合作開發(fā)協(xié)議”，雙方共同組建了“中科新芯三維存儲器研發(fā)中心”。在前期中國科學(xué)院微電子研究所派出20名成員的團隊雙跨到武芯，作為核心成員直接參與3D-NAND技術(shù)研發(fā)。中國科學(xué)院微電子所在存儲器領(lǐng)域許可的相關(guān)專利和技術(shù)是武芯存儲器產(chǎn)品自主研發(fā)的初始來源和主要基礎(chǔ)，這是國內(nèi)高端集成電路產(chǎn)品研發(fā)首次采用自主技術(shù)。

RRAM研發(fā)

課題組在阻變存儲器（RRAM）研究工作基本與國際同步，選擇了氧化鉭和氧化鉿這兩種主要的阻變材料。研究初期發(fā)現(xiàn)很多材料都可以展現(xiàn)出阻變的特性，但基礎(chǔ)的原理并不容易被闡明，有一些自相矛盾的現(xiàn)象。課題組采用一些新型的表征手段進行了系統(tǒng)的研究，例如電學(xué)的表征、原位TEM、熱分析統(tǒng)計、第一性原理計算等。

在深入研究阻變機理的基礎(chǔ)上，器件性能改善也是非常重要的方面，課題組進行了系列研究工作，包括摻雜改性、局域電場增強、雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面調(diào)控、編程方法優(yōu)化等。

因為RRAM是一個兩端器件，兩端器件如何實現(xiàn)集成也是一個關(guān)鍵問題，課題組先后實現(xiàn)了1kb到64Mb的原型芯片、自選通RRAM器件、三維垂直RRAM陣列等。

2015年開始將平面集成工作推進到RRAM產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，與中芯國際合作，在工藝線上實現(xiàn)了1Mb 28nm RRAM芯片。后續(xù)與國家電網(wǎng)合作研發(fā)搭載RRAM新一代電力芯片，中國科學(xué)院微電子研究所負(fù)責(zé)RRAM原型技術(shù)（包括材料、結(jié)構(gòu)、集成方案、IP設(shè)計等）SMIC負(fù)責(zé)工藝開發(fā)、良率控制；國家電網(wǎng)（智芯）負(fù)責(zé)定義規(guī)格需求、開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用。

與此同時，課題組進一步探討了阻變存儲器三維集成，并成為國際上該領(lǐng)域最好的研究小組之一，2015、2017年在中國科學(xué)院微電子研究所工藝線上分別實現(xiàn)了RRAM四層和八層垂直三維集成工藝。

表1 3D V-RRAM、3D Xpoint及3D NAND的技術(shù)對比

表1列出了3D V-RRAM、3D Xpoint及3D NAND的技術(shù)對比。相比于Intel的3D X-point技術(shù)與主流的3D NAND技術(shù)，3D V-RRAM在讀寫延遲、功耗、耐久性和可微縮性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

與此同時，課題組也開展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)設(shè)計的研究工作，從憶阻仿生器件及其集成、仿生神經(jīng)元電路設(shè)計到存算一體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了器件、電路、架構(gòu)三個層面逐層推進、協(xié)同設(shè)計，完成了從系統(tǒng)設(shè)計到物理實現(xiàn)的完整流程。工作也得到了華為公司的支持，設(shè)立了新型憶阻器計算陣列技術(shù)研究項目。

在解決實際應(yīng)用方面，針對商業(yè)衛(wèi)星主控FPGA開發(fā)出MCP存儲芯片，具有以下有點：大容量（256Mb）、低成本、抗空間輻射（單粒子效應(yīng)）；支持商業(yè)衛(wèi)星功能（FPGA程序）實時在軌升級；支持FPGA主機程序多版本切換，可對在軌衛(wèi)星功能模式進行靈活切換。成功開發(fā)出3.3V 64Mb和1.8V 128Mb兩款軍品Flash，并通過JB597B檢驗，已經(jīng)成功實現(xiàn)銷售。

結(jié) 論

存儲器應(yīng)用廣泛，市場非常龐大，是國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。新的存儲技術(shù)層出不窮，在新型存儲器研究方面，國內(nèi)的基礎(chǔ)研究走在了前列，也希望基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢能夠轉(zhuǎn)化成未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，抓住存儲器技術(shù)發(fā)展多元化的新機遇及國家大力發(fā)展存儲器產(chǎn)業(yè)的契機，實現(xiàn)突破。兼顧自主創(chuàng)新和國際合作，兩者要有一個共贏的模式；同時在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢下更要注重原始創(chuàng)新；鼓勵原始創(chuàng)新/技術(shù)突破，開展共性基礎(chǔ)研究為產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展奠定基礎(chǔ)。中國最大的優(yōu)勢就是市場需求，面向中國市場需求是創(chuàng)新跨越的新機遇，實現(xiàn)存儲器技術(shù)的跨越式發(fā)展。