日前，在“中國通信集成電路技術(shù)與應(yīng)用研討會暨第二屆晉江國際集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇”上，中國科學(xué)院微電子研究所研究員、博士生導(dǎo)師、中國科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室主任劉明院士，發(fā)表了題為“存儲器技術(shù)發(fā)展態(tài)勢和機遇”的主題演講。演講中談到了8種存儲器（5種傳統(tǒng)+3種新型），介紹了傳統(tǒng)存儲器的工藝和封裝技術(shù)發(fā)展，新型傳感器的原理和優(yōu)缺點，以及我國大力發(fā)展的存儲器領(lǐng)域及研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。
存儲器分為易失性和非易失性兩大類。當(dāng)今，易失性存儲器最重要的兩類是SRAM和DRAM。非易失性存儲器的種類很多，市場份額最大的是閃存（FLASH），其他的還有SONOS、鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）等。此外，SRAM、DRAM、FLASH、SONOS和FRAM這五種是基于電荷的存儲器，這類存儲器本質(zhì)上是通過電容的充放電來實現(xiàn)的。而PRAM、MRAM和RRAM則是基于電阻的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)的。
存儲器距今已發(fā)明了50周年。1967年，第一個64位只讀存儲器由仙童公司發(fā)明。閃存也是在這一年由Bell實驗室所提出。Intel在存儲器發(fā)展的早期做出了很多貢獻，比如第一個SRAM和第一個EEPROM都由該公司推出。閃存之所以是在90年代才大規(guī)模應(yīng)用，是因為直到1988年，Intel和東芝才分別提出了NOR和NAND兩種類型的閃存集成架構(gòu)。
下圖顯示的是全球存儲器市場規(guī)模的變化。存儲器在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)極重要的地位。DRAM和NAND Flash在存儲器領(lǐng)域的占比也已超過90%。今天我國要大力發(fā)展的存儲器也主要集中在這兩大類別。
從全球DRAM、NAND的市場份額分配圖看，這兩類存儲器被國際巨頭壟斷。進入這個行業(yè)面臨著很大的壓力。
從技術(shù)角度看，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，DRAM發(fā)展非常迅速——密度越來越高，從8F2（特征尺寸）到4F2。所有主流DRAM的生產(chǎn)都已進入20nm以下節(jié)點。
除了工藝不斷縮小以外，封裝技術(shù)也為DRAM的發(fā)展提供了另外一條途徑，比如HBM（高帶寬內(nèi)存）和HMC（混合存儲立方）這兩種技術(shù)，如下。
對于NAND來說，其正從2D NAND向3D NAND發(fā)展。3D NAND從2014年開始進入市場。三星在其中起到了很大的作用，而東芝則在早期提出了很多很有意義的架構(gòu)。WD/Sandisk和三星都有了64層/512Gb的3D NAND產(chǎn)品，只是性能和良率有所差別。
再來看新型的存儲器。
MRAM：MRAM和前述存儲器概念完全不同。其基本結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)，即底下一層薄膜是鐵磁材料（釘扎層），其磁自旋方向固定；中間一層是隧穿層；上面一層是自由層，其自旋方向可以在外加應(yīng)力的情況下改變。如果自由層的自旋方向和釘扎層的自旋方向一致，則隧道層處在低電阻的狀態(tài)；反之則處于高阻狀態(tài)。因此，MRAM是利用這種磁性隧道結(jié)的電阻變化實現(xiàn)存儲。
MRAM又分為傳統(tǒng)的MRAM和STT-MRAM。它們都是基于磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，只是驅(qū)動自由層翻轉(zhuǎn)的方式不同。（MRAM當(dāng)中包括很多方向的研究，如微波驅(qū)動、熱驅(qū)動等等。）傳統(tǒng)的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的兩大類，前者采用磁場驅(qū)動，后者采用自旋極化電流驅(qū)動。對于傳統(tǒng)的MRAM，由于在半導(dǎo)體器件中本身無法引入磁場，需要引入大電流來產(chǎn)生磁場，因而需要在結(jié)構(gòu)中增加旁路。因此，這種結(jié)構(gòu)功耗較大，而且也很難進行高密度集成（通常只有20-30F2）。若采用極化電流驅(qū)動，即STT-MRAM，則不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。
MRAM的研發(fā)難度很大，其中涉及非常多的物理，這也是諾貝爾獎頒發(fā)給這個領(lǐng)域的原因。磁性隧道結(jié)看似簡單實則相當(dāng)復(fù)雜。在這個結(jié)構(gòu)中，很多材料都是在幾個納米，特別是對于MgO隧道層，要求只有1.3nm，并且是要完美的單晶。從圖中的關(guān)系式可以看出，要想保持時間長，則需要增加功耗，因此需要權(quán)衡。STT-MRAM有很多的優(yōu)缺點，如圖所示。
PRAM：另一類新型存儲器是PRAM。它也是一種三明治的結(jié)構(gòu)。中間是相變層（和光盤材料一樣，GST），這種材料的一個特性是會在晶化（低阻態(tài)）和非晶化（高阻態(tài)）之間轉(zhuǎn)變，即利用這個高低阻態(tài)的變化來實現(xiàn)存儲。
PRAM的優(yōu)缺點如下圖所示。
PRAM目前發(fā)展到了另外一個領(lǐng)域——Intel和美光2015年聯(lián)合推出了3D Xpoint技術(shù)。3D Xpoint技術(shù)的存儲單元的確是PRAM，但它找到了一種合適的選擇管，即1R1D的結(jié)構(gòu)，而不是1R1T結(jié)構(gòu)——這和三星的方向完全不同。
3D Xpoint技術(shù)在非易失存儲器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破。雖然其速度略微比DRAM慢，但其容量卻比DRAM高，比閃存快1000倍。因此它填補了很大一個空白。3D Xpoint采用堆疊結(jié)構(gòu)，目前一般是兩層結(jié)構(gòu)。它有它的好處，但也有明顯缺點。堆疊層數(shù)越多，需要的掩模板個數(shù)就越多，而在整個IC制造工業(yè)中，掩模板占到了成本的最大份額。因此，從制造的角度來說，要想實現(xiàn)幾十層的3D堆疊結(jié)構(gòu)非常困難。
RRAM：RRAM看上去和PRAM相類似，只是中間的轉(zhuǎn)變層的原理不同。相變是材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變，而阻變是通過在材料中形成和斷開細(xì)絲（filament，即導(dǎo)電通路）來探測結(jié)構(gòu)的高低阻態(tài)。
RRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。雖然這個現(xiàn)象早在1962年就被報道了，但沒有引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。直到2000年，美國休斯敦大學(xué)在APL上發(fā)表了一篇關(guān)于“在龐磁阻氧化物薄膜器件中發(fā)現(xiàn)電脈沖觸發(fā)可逆電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)”的文章后，夏普公司買了該專利，才對RRAM開始了業(yè)界的開發(fā)，自此以后才引起學(xué)術(shù)界和業(yè)界的研究。主流存儲器廠商也紛紛投入力量，開始對RRAM的研究。RRAM也已經(jīng)由實驗室階段進入到企業(yè)的研發(fā)階段。
從容量上看，這三類新型存儲器，MRAM最高達(dá)4Gb，PRAM最高達(dá)8Gb，RRAM最高達(dá)32Gb。它們和閃存相比，容量差別還很大，但是不要忘記，這三者的讀寫速度都比閃存要快1000倍以上。
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