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浮动闸极面临微缩瓶颈

编辑:桂林科翔电子有限公司   字号:
摘要:浮动闸极面临微缩瓶颈
NAND Flash记忆体进入20奈米以下制程节点后,将面临严峻的微缩挑战,因此记忆体制造商已加紧投入新技术研发,期以三维(3D)空间储存格结构或电荷撷取(Charge Trap)技术,实现小尺寸、高容量、高稳定度且兼顾开发成本的新一代NAND Flash产品。

非挥发性记忆体的应用可以分为独立和嵌入式系统解决方案。独立应用主要受成本和下一代产品的持续需求所驱动。虽然嵌入式解决方案的成本很重要,但产品寿命长、扩展性能(如扩展温度范围、更高的可靠性、更低功耗等)和支援能力也是嵌入式系统所必须考量的要点。嵌入式市场主要依赖编码型快闪记忆体(NOR Flash)的高可靠度和性能,实现重要应用如编码储存,而NAND通常用于较不重要的资料储存。

浮动闸极NAND面临限制

近年来,相较于NOR而言,NAND技术一直更积极致力于缩减尺寸,但也面临着更大的挑战。因此,业界正评估一些前瞻技术,目的是实现可扩展的更高容量,并在可接受的性能和可靠性水准的前提下降低费用。

虽然业界已找到扩充NAND的可行方法,但目前要利用超越20奈米(nm)的浮动闸极技术来维持以往产业发展的速度仍极具挑战性。扩展浮动闸极技术的主要挑战是储存格间的间距持续减少,较小的间距难以植入必要的夹层电介质以及相邻储存格之间的控制闸门,不仅如此,储存格间距缩短也大大增加电容耦合造成相邻储存格的干扰。

20奈米以下技术电荷撷取和三维NAND争出头

为继续扩大NAND Flash市场,业界正评估扩展20奈米以下技术的两种可能方法--三维(3D)空间储存格或平面储存格,如电荷撷取(CT)NAND技术。

3D Flash技术采用堆叠法。所谓技术层的堆叠,就像高层建筑的每个楼层代表不同的记忆体储存格。这项技术的挑战是产品会有很高的「堆叠」,具有很高的纵横比(高度超过宽度),造成均一型式(Uniform Patterning)和沉积材料(Depositing Material)的制程挑战。此外,高纵横比堆积的储存格结构也造成机构制造上的不稳定性。

平面电荷撷取NAND技术与传统浮动闸极技术的区别,在于它使用一层约100埃(Angstrom)的极薄氮化矽薄膜来储存电子,而非超过1,000埃的传统浮动闸极储存层。较薄的氮化矽膜层大大减少相邻储存格电容耦合的问题,也消除须在狭隘且高纵横比浮动闸极之间植入夹层电介质的挑战。

电阻式RAM

某些公司、大学和国家实验室正在探讨另一个新的非挥发性技术--电阻式随机存取记忆体(RRAM)(图2)。RRAM藉由改变两个金属接触层之间介电材料的导电性能,以形成两种不同电阻的特质来定义记忆体的0和1状态。

RRAM研究的一个关键议题是找出正确的材料组合。桥基(Bridge-based)以及氧基(Oxygen-based)导电是目前较具前瞻性的材料。

桥基导电RRAM由两个金属接触层组成(其中包括一层银),中间隔有高电阻绝缘体,经由电压导入金属层之间,形成银基导电丝,产生低阻抗的状态。当更改电压方向时,金属接触层之间的导电丝断开后则形成高阻抗状态,这就是记忆体的两个状态。桥基导电RAM的最大挑战是须能在记忆体内许多单一和多个储存格中,创建可重复、可重建的细丝。另一个须注意的是因为桥基导电RRAM通常依赖材料(如银),而非常用的矽生产设备,在将这些新材料引入矽晶圆代工厂时会面临污染和制程的挑战。

氧基RRAM是在两个金属接触层间使用氧化物绝缘体。氧化物材料的选择和工程是非化学计量的(Non-stoichiometric)(可使其氧气水准过高或不足)。当电压应用于金属的接触层时,可根据偏置电压的方向控制,使其通过绝缘体路径时产生高或低的电阻。同样地,氧基RRAM最大的挑战也是须在许多储存格和多层储存格中,创建可重复、可重建的路径。氧基材料(如氧化铪)目前比桥基的导电材料更符合现有晶圆厂设备规格。

要使RRAM成为具竞争力的解决方案需要良好的制造设备。目前业界正尝试使用在金属层内的二极体,而非在矽基中的电晶体,因为这样的几何空间才能小到足以实际用来构建下一代的非挥发性储存器。

相变记忆体

相变记忆体(Phase Change Memory)也由两个金属接触层组成。中间两个金属接触层是一种硫属化物材料,大多基于碲基硫化物系统(GeTeSb),该系统可以是非晶质绝缘相或多晶矽导电相。

这些材料经过加热和淬火过程产生相变。它经由流动的电流通过材料进行局部加热,使其达到600度高温来完成。在过去1?2年,数家公司已于市场导入低容量相变随机存取记忆体(PCRAM)。不过,PCRAM编程周期次数有限、编程时间慢,而且在高温性能较差。PCRAM还要求高电流和高功率,以达到程式设计所需的温度,因而难以扩大规模。

磁阻式随机存取记忆体

目前许多公司、大学和研究实验室正在探索的是磁阻式随机存取记忆体(MRAM)。MRAM有磁化切换(Toggle)和旋转扭矩(Spin-torque)两个版本。

MRAM是由两个金属接触层组成。介于两者之间的金属接触层有两层磁性材料,由绝缘体隔开,其中一个固定在极化方向,另一个可转换。如果两个磁性材料有相同极化方向,该记忆体储存格处于低阻状态。反之,若两者有相反的极化方向,记忆体则在高阻状态。

切换磁化MRAM程式编程时,电流会导入编织在磁性材料上下的金属线,产生局部磁场。施加于两线之间的电流的序列决定磁性层其中一个极化方向,以相对于另一个产生的方向。

旋转扭矩MRAM程式编程时,电流实际流经整个材料堆叠层。大多数在固定磁层内的电子会在同一个方向旋转。根据电流通过固定磁性材料的方向,固定磁层的电子会与其他磁层中的电子互动,迫使固定磁层电子的自旋方向相反或相同。

切换磁化MRAM目前的量产容量从256Kb?16Mb。切换磁化MRAM具有快速读/写存取时间和无限读/写周期。扩展切换磁化MRAM到较小的几何空间和较大的容量具有高度挑战性。至于另一方案,旋转扭矩MRAM可扩充性预期较高,且切换电流较小。尽管如此,旋转扭矩MRAM仍处于研究阶段。旋转扭矩MRAM所面临的挑战是如何能达到可重制、可重复交换,同时保有可靠性的要求。

MRAM、PCRAM和RRAM要成为主要的记忆体技术,将高度依赖新材料的创新。另一方面,平面电荷撷取NAND和3D NAND可以利用现有的材料,并快速成为商业上可行、高容量浮动闸极NAND的替代产品。
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