浅谈新型存储器

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从PCRAM和MRAM到RRAM等更多技术，一系列全新的存储技术正不断涌向晶圆厂。而推动这一进程的正是游戏和移动产品领域的技术进步，以及云计算的发展。这些应用都非常重要，它们正在不断扩展当今主流存储技术的能力。例如，游戏应用需要速度极快的主存储器和高容量的辅助（存储类）存储器，从而在用户浑然不觉的情况下处理数据，快速管理海量的图形数据。毕竟，没人希望在游戏玩到关键时刻，突然遇到意外的卡顿。对于云计算，其最大的优势在于能够通过网络访问海量数据，而无需将这些数据直接存储在我们的个人设备上。同样，速度也至关重要，因为除非必要，没人愿意多等待哪怕一纳秒。

1 缩小存储差距

正如之前在“你认识的存储器真的是你认识的存储器吗？”一文中所提到的，DRAM和NAND闪存是目前使用最广泛的技术，分别用于较快的主存储器和相对较慢的存储类存储器。为了满足包括提高存储速度、容量、功耗以及可扩展性这些不断增长的性能要求，人们开始探索多种新技术。这些新的颠覆性存储技术中有大部分属于非易失性技术，这表示它们无需耗费电能来保存数据，而通常定位于存储类应用。由于它们都是随机存取，所以比NAND闪存更快，而后者目前广泛用于多种存储应用。此外，这些相对较大的存储组件可以在芯片的后端制程（BEOL）中构建。如此，便可避免在前端制程（FEOL）构建晶体管等组件过程中的进一步拥堵。因为和其他类型的存储器相比，它们在工艺流程中的不同层级制造，所以能够提供巨大的扩展优势。如图1所示。

图1 不同层级制造的全新存储器

2 相变RAM（PCRAM）

因为PCRAM（也称为相变存储器（PCM））可提供与DRAM（随机存取、位可寻址、位可变性）同等的性能，所以人们正考虑将其用于主存储器以及存储类应用中。PCRAM技术利用硫属化合物玻璃（Ge2Sb2Te5或GST）在受热影响下状态的改变，即所谓的“相变”属性。电流通过加热元件（电阻），让GST在多晶（低阻抗）和非晶（高阻抗）状态间切换。阻抗的不同与存储在存储单元中的数据值（“0”或“1”）相关。

图2 相变RAM（PCRAM）基本结构

制造这些器件的过程非常严苛，尤其是刻蚀步骤。GST采用的三种材料（锗、锑和碲）必须在同一时间进行刻蚀。但是，这三种材料具有不同的刻蚀速率，并且各材料的去除量不同可能会导致器件的侧壁损坏和剖面凸形。此外，另一项挑战在于：在清除刻蚀后GST残留的同时，不能造成高深宽比结构崩塌，或者在GST周围形成厚的氧化层。由于氧化层取代部分导电材料，导致信噪比降低，从而影响到器件的性能。随着器件尺寸缩小，GST的面积也会缩小，但受损区域仍然保持不变（受损区域所占的比例上升）。最终，由于没有足够的GST，从而无法可靠地检测到电信号。目前，解决这一问题的方案正在紧锣密鼓的研发中。

3 磁阻RAM（MRAM）

MRAM的速度和存储容量使其既适用于主存储应用，也适用于存储类应用。自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）这一种类MRAM已开始获得人们的关注。MRAM中的STT利用电子的固有自旋来降低达到阈值电压（激活存储单元所需的电平）所需的电流，从而节省能量。对于缓存应用，其速度可与SRAM（静态RAM）媲美。除此以外，SRAM体形大，占据了计算机微处理器或中央处理单元（CPU）约50%到80%的空间。MRAM可以集成到BEOL级别的芯片中，相比集成到FEOL级别的大型SRAM阵列，它可以提供巨大的扩展优势。

MRAM使用磁存储元件而非传统的电荷来存储数据。每个存储单元由两个磁体组成：一个是静止的，一个可以翻转。当两个磁体彼此平行时，电阻值低；当第二个磁体翻转并改变方向时，电阻值高。与PCRAM类似，电阻的变化也与“0”或“1”数据值相关。

图3 磁阻RAM（MRAM）基本结构

对于PCRAM，MRAM器件的刻蚀步骤是整个制造流程中最具挑战性的。因为难以与等离子气形成挥发性化合物而被去除，钴铁（CoFe）和钴铁硼（CoFeB）磁层很难刻蚀。因此，这些工艺过程需要利用离子来轰击（溅射）晶圆表面，以移除材料。由于残余物质靠近基底部，蚀刻会形成锥形而非垂直剖面，这会影响到器件与器件的最小间隔。如果锥形剖面的基部距离过近，则可能出现短路。离子束刻蚀是解决这个问题的方法之一，它通过倾斜和旋转晶圆来控制冲击晶圆表面的离子角度，从而移除准基座部分的材料。

转换磁体的氧化镁（MgO）隧道保护层很容易受到损坏，这进一步加剧了问题的复杂性。而在刻蚀步骤完成之后，立即在保护层周围沉积一层材料（“包封”）可以让它们免受腐蚀，并降低暴露于空气的程度，从而防止MgO形成不需要的氢氧化镁（MgOH）。

4 电阻RAM（ReRAM或RRAM）

对于移动电子领域来说，RRAM被当作未来可替代NAND闪存的对象来进行研究，后者（NAND闪存）在某些情况下无法以低成本提供足够高的存储容量。RRAM的速度比闪存快，具有随机存取和位可变性，是高性能存储类应用的极佳选择。此外，它在交叉点和3D垂直架构上同样具有优势，能够助力实现更高的位密度（更高的存储容量）。

与PCRAM类似，RRAM采用阻抗可以在两个电极间变化的材料。电场或热量会改变材料的离子分布，从而提供了可用作信号的可测电阻变化。

图4 电阻RAM（ReRAM或RRAM）基本结构

和MRAM一样，RRAM采用了一些需要刻蚀的非挥发性材料，其中包括碲化亚铜（CuTe）和锗化亚铜（CuGe）。由于铜基材料不易刻蚀，所以这些设计需要替代性的制造解决方案。一种方法是改变其架构而使用镶嵌工艺。镶嵌方法解决此问题的步骤是：先沉积介电质材料，然后对介电质材料进行刻蚀。接下来，沉积铜材料。这种方法避免了铜刻蚀的挑战。另一个问题在于，让高活性材料（例如铜基薄膜）暴露在空气中会导致其氧化和属性变化。对这些材料中的大多数而言，控制暴露在空气中的程度至关重要，因此这些器件会和MRAM一样被包封。

5 颠覆性创新推动电子行业变革

展望未来，除了这些新型的非易失性存储类型之外，业界还在寻找更多方法。由于最新的CPU速度之快已导致数据传输开始阻碍整体的芯片速度，对于新的解决方案的需求迫在眉睫。要提升速度并降低功耗，一种想法是将存储器和逻辑器件集成在一颗芯片上，而另一种想法则是设计出更加以数据为中心的逻辑和存储器组件架构。尽管两种概念都具有可行性，但仍有许多待解决的设计和制造问题。要提高存储容量，同时又不影响速度，目前正在研究的一种选择方案是混合存储立方体，它通过把DRAM存储单元放置得足够靠近来缩短数据传输路径。

图5 两种将DRAM存储器与逻辑器件结合的设想

另一个有趣的领域是神经网络计算——让CPU模拟人脑的功能和其神经系统。对于这一领域，除了设计挑战之外，管理能耗非常关键。人脑只需使用约2～20 W，而如今的计算机要执行类似人脑的功能，则需要约20 000 000 W。虽然神经网络结构消耗的电量要少得多，但它只适用于某些活动。CPU使用不连续的“1”或“0”（开或关）逻辑，这是非常准确的。神经网络数值会被放大，并且需要在准确度达到约75%或80%时，信号才能被识别。所以，这一领域仍然有局限，需要进一步探索。

通过创新，计算领域和大量相关的支持存储设备在不久的将来以不同的方式运行。幸运的是，对于我们这些喜爱和依赖电子产品的人而言，我们可能只需要关注到这些革命性的变化能够带来的超快速度和强大功能体验。