主流存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

鐵電存儲(chǔ)器與DRAM類(lèi)似，是基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制，傳統(tǒng)的鐵電存儲(chǔ)器由于存在微縮化的問(wèn)題，僅僅在0.13μm節(jié)點(diǎn)以上，在RFID、汽車(chē)電子等小眾市場(chǎng)（niche market）上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。

新型的非易失存儲(chǔ)器PRAM、MRAM和RRAM主要通過(guò)器件電阻的變化來(lái)存儲(chǔ)信息。

主流的存儲(chǔ)器最重要市場(chǎng)份額有兩大類(lèi)：DRAM和NAND閃存。圖1給出了其市場(chǎng)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(chǎng)的95%，NAND市場(chǎng)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(gè)NAND市場(chǎng)，占了全球市場(chǎng)的99.2%。

圖1 全球DRAM、 NAND的市場(chǎng)份額分配

從技術(shù)的角度來(lái)看，DRAM發(fā)展過(guò)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(méi)有成功，目前DRAM依然是一個(gè)選通晶體管加一個(gè)Capacitor的結(jié)構(gòu)。

在不斷微縮的過(guò)程中，選通晶體管可以像邏輯工藝一樣做，但Capacitor做起來(lái)非常難，所以DRAM現(xiàn)在到了1Xnm向1Ynm轉(zhuǎn)變的過(guò)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(gè)趨勢(shì)，可以考慮從模塊封裝的角度做一些工作。中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有在存儲(chǔ)器里做太多的投入，但目前已經(jīng)有兩家企業(yè)進(jìn)入到裝機(jī)和試產(chǎn)的階段。一個(gè)是合肥睿力，直接切入1Xnm技術(shù)進(jìn)入正面競(jìng)爭(zhēng)；福建晉華主要面向niche market，這兩家公司預(yù)計(jì)在2019年會(huì)有少量的產(chǎn)品出來(lái)。

NAND技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀主要有兩個(gè)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(kāi)始，3D NAND技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)，目前Samsung和WD/Sandisk均已量產(chǎn)64層/512Gb的3D NAND，計(jì)劃量產(chǎn)96層3D NAND。

中國(guó)過(guò)去幾十年在存儲(chǔ)器領(lǐng)域雖然沒(méi)有太多的投入，但在近幾年有大量的布局。國(guó)內(nèi)近幾年在整個(gè)IC制造業(yè)的投入是過(guò)去幾十年里投入最大的，國(guó)家投入的企業(yè)福建晉華、合肥長(zhǎng)鑫，而三星3D NAND的量產(chǎn)第一個(gè)是西安做的，目前第二期的建設(shè)也已經(jīng)開(kāi)始。國(guó)家在存儲(chǔ)器領(lǐng)域投入最大的一筆資金是支持長(zhǎng)江存儲(chǔ)3D NAND的量產(chǎn)。

新型存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

磁存儲(chǔ)器（MRAM）

所有的新型存儲(chǔ)器都是從凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究演變而來(lái)。MRAM（magnetic random access memory）最早是由巨磁阻效應(yīng)發(fā)展而來(lái)，磁科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)可以在很薄的一個(gè)磁性隧道結(jié)里展現(xiàn)出磁阻效應(yīng)，并且在很小的磁場(chǎng)下會(huì)有一個(gè)巨大的電阻變化?；驹砣鐖D示：這是一個(gè)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(gè)隧道結(jié)磁阻就比較小，反之磁阻就大，外加電場(chǎng)撤掉后，狀態(tài)依然維持，所以可以用于非易失存儲(chǔ)。磁存儲(chǔ)器有其他存儲(chǔ)器無(wú)法抗衡的優(yōu)點(diǎn)，疲勞特性好、速度快，當(dāng)然也存在一些問(wèn)題，例如傳統(tǒng)的MRAM需要一個(gè)特別大的磁場(chǎng)。由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向更高性能的電流驅(qū)動(dòng)（STT-MRAM），臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低，電控磁化反轉(zhuǎn)是目前研究熱點(diǎn)。目前全球工業(yè)界給予MRAM很多關(guān)注，美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)等政府及公司巨資投入開(kāi)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(chǔ)器（PRAM）

相變存儲(chǔ)器（phase-change random access memo，PRAM），是一種新興的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。相變存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)在高阻態(tài)和低阻態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，工業(yè)界對(duì)該項(xiàng)技術(shù)也投入了很大的力量，但非常遺憾，在平面的獨(dú)立式存儲(chǔ)上沒(méi)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(lái)了新的生機(jī)，被譽(yù)為20年來(lái)存儲(chǔ)器領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，揭開(kāi)了存儲(chǔ)器層次架構(gòu)演變的新篇章，對(duì)于計(jì)算機(jī)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(guò)程是破壞性的，電荷會(huì)丟失，在讀操作后需要重新寫(xiě)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(shí)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(lái)的就是高成本，這也是3D X-point技術(shù)進(jìn)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(duì)溫度非常敏感，在高溫環(huán)境中的可靠性問(wèn)題是一個(gè)挑戰(zhàn)。

阻變式存儲(chǔ)器（RRAM）

有關(guān)阻變式存儲(chǔ)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(méi)有引起多少關(guān)注，因?yàn)楦薮抛栊?yīng)相比，它的物理重要性并沒(méi)有那么大。但在2000年的時(shí)候，休斯公司把一個(gè)專(zhuān)利賣(mài)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(kāi)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(chǔ)器已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是到22 nm節(jié)點(diǎn)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(chǔ)器RRAM、MRAM將成為嵌入式存儲(chǔ)的主要技術(shù)方案。臺(tái)積電2017年就宣布，2019年開(kāi)始在嵌入式應(yīng)用里，RRAM和MRAM都將試產(chǎn)。

目前來(lái)看，這兩個(gè)技術(shù)（MRAM、RRAM）在嵌入式應(yīng)用里的相對(duì)來(lái)說(shuō)更有可能進(jìn)入量產(chǎn)。新型存儲(chǔ)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(chǎng)景，但的確他們有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)找到自己的應(yīng)用。

非易失存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)

圖2 非易失存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)器單元和集成架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

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(lái)非易失存儲(chǔ)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(chǔ)層換成分布式的存儲(chǔ)介質(zhì)，這樣可以降低對(duì)阻擋層厚度的要求，能夠把電子禁錮在存儲(chǔ)層里，這種技術(shù)叫電荷俘獲存儲(chǔ)。

2）拋棄原有結(jié)構(gòu)，采用兩端器件作為基本存儲(chǔ)單元。

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

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所相關(guān)存儲(chǔ)器工作

電荷俘獲存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)低壓、高速、長(zhǎng)數(shù)據(jù)保持和多值存儲(chǔ)。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(shí)驗(yàn)室工作的基礎(chǔ)上，2008年開(kāi)始與產(chǎn)業(yè)界合作研發(fā)納米晶閃存，在生產(chǎn)平臺(tái)上首次完成納米晶存儲(chǔ)器系統(tǒng)研究；獲得自主產(chǎn)權(quán)納米晶存儲(chǔ)技術(shù)整體解決方案，解決了納米晶存儲(chǔ)材料分布均勻、存儲(chǔ)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(chǔ)管+選擇管結(jié)構(gòu)（2T）三款存儲(chǔ)器件IP研發(fā)（圖3）。

圖3三款存儲(chǔ)器件示意圖

3）與中芯國(guó)際合作研制大容量閃存芯片，突破了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，掌握了核心設(shè)計(jì)技術(shù),完成了128Mb和1Gb兩款芯片的設(shè)計(jì)、流片和驗(yàn)證。與SMIC一起完善了閃存芯片的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)與可靠性。在閃存芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，后續(xù)與國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)公司聯(lián)合進(jìn)行閃存產(chǎn)品設(shè)計(jì)。4）合作開(kāi)發(fā)3D-NAND技術(shù)。2014年10月，中國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)武芯）簽署了“關(guān)于先進(jìn)存儲(chǔ)器合作開(kāi)發(fā)協(xié)議”，雙方共同組建了“中科新芯三維存儲(chǔ)器研發(fā)中心”。在前期中國(guó)科學(xué)院微電子研究所派出20名成員的團(tuán)隊(duì)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(guó)科學(xué)院微電子所在存儲(chǔ)器領(lǐng)域許可的相關(guān)專(zhuān)利和技術(shù)是武芯存儲(chǔ)器產(chǎn)品自主研發(fā)的初始來(lái)源和主要基礎(chǔ)，這是國(guó)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(chǔ)器（RRAM）研究工作基本與國(guó)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(jìn)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(jì)、第一性原理計(jì)算等。

在深入研究阻變機(jī)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(jìn)行了系列研究工作，包括摻雜改性、局域電場(chǎng)增強(qiáng)、雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、界面調(diào)控、編程方法優(yōu)化等。

因?yàn)镽RAM是一個(gè)兩端器件，兩端器件如何實(shí)現(xiàn)集成也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，課題組先后實(shí)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(kāi)始將平面集成工作推進(jìn)到RRAM產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，與中芯國(guó)際合作，在工藝線上實(shí)現(xiàn)了1Mb 28nm RRAM芯片。后續(xù)與國(guó)家電網(wǎng)合作研發(fā)搭載RRAM新一代電力芯片，中國(guó)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(jì)等）SMIC負(fù)責(zé)工藝開(kāi)發(fā)、良率控制；國(guó)家電網(wǎng)（智芯）負(fù)責(zé)定義規(guī)格需求、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用。

與此同時(shí)，課題組進(jìn)一步探討了阻變存儲(chǔ)器三維集成，并成為國(guó)際上該領(lǐng)域最好的研究小組之一，2015、2017年在中國(guó)科學(xué)院微電子研究所工藝線上分別實(shí)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(duì)比

表1列出了3D V-RRAM、3D Xpoint及3D NAND的技術(shù)對(duì)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(xiě)延遲、功耗、耐久性和可微縮性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，課題組也開(kāi)展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)到存算一體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了器件、電路、架構(gòu)三個(gè)層面逐層推進(jìn)、協(xié)同設(shè)計(jì)，完成了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到物理實(shí)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(jì)算陣列技術(shù)研究項(xiàng)目。

在解決實(shí)際應(yīng)用方面，針對(duì)商業(yè)衛(wèi)星主控FPGA開(kāi)發(fā)出MCP存儲(chǔ)芯片，具有以下有點(diǎn)：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(shí)時(shí)在軌升級(jí)；支持FPGA主機(jī)程序多版本切換，可對(duì)在軌衛(wèi)星功能模式進(jìn)行靈活切換。成功開(kāi)發(fā)出3.3V 64Mb和1.8V 128Mb兩款軍品Flash，并通過(guò)JB597B檢驗(yàn)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售。

結(jié) 論

存儲(chǔ)器應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)非常龐大，是國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。新的存儲(chǔ)技術(shù)層出不窮，在新型存儲(chǔ)器研究方面，國(guó)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(shì)能夠轉(zhuǎn)化成未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，抓住存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展多元化的新機(jī)遇及國(guó)家大力發(fā)展存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的契機(jī)，實(shí)現(xiàn)突破。兼顧自主創(chuàng)新和國(guó)際合作，兩者要有一個(gè)共贏的模式；同時(shí)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢(shì)下更要注重原始創(chuàng)新；鼓勵(lì)原始創(chuàng)新/技術(shù)突破，開(kāi)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(guó)最大的優(yōu)勢(shì)就是市場(chǎng)需求，面向中國(guó)市場(chǎng)需求是創(chuàng)新跨越的新機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器技術(shù)的跨越式發(fā)展。