我國(guó)應(yīng)長(zhǎng)期布局新一代存儲(chǔ)技術(shù)

　　存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石之一。以海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為主要載體的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)存儲(chǔ)器提出了低成本、低功耗、高容量、高速度、高可靠性的要求。為了搶占這一領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，全球各大公司、高校和研究機(jī)構(gòu)一直在這一領(lǐng)域投入大量的人力和資源，持續(xù)開(kāi)展前沿技術(shù)研發(fā)。以非揮發(fā)性存儲(chǔ)器為例，除原先的以電荷存儲(chǔ)為主的閃存技術(shù)浮柵存儲(chǔ)器（FG）和電荷俘獲存儲(chǔ)器（CTM）外，磁變存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM）和相變存儲(chǔ)器（PCM）等存儲(chǔ)技術(shù)蓬勃發(fā)展，形成了存儲(chǔ)器發(fā)展歷史上的“百花齊放”時(shí)代。在中國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)急需尋求突破的重要?dú)v史階段，對(duì)以上幾種技術(shù)進(jìn)行全面比較，尋找一種最具有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ姆菗]發(fā)性存儲(chǔ)器，緊迫且意義重大。

　　新型存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入“百花齊放”的時(shí)代

　　磁變存儲(chǔ)器最有潛力的代表是自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲(chǔ)器（STTMRAM）。既有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高性能，又能兼顧閃存的低功耗優(yōu)勢(shì)。存儲(chǔ)單元主體為磁性隧道結(jié)（MTJ），有上下兩層磁性材料（如鈷鐵合金）和中間的絕緣夾層（如氧化鎂）所組成。其中一層為固定磁性層，另一層為自由磁性層。工作原理是由磁場(chǎng)調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行，從而建立兩個(gè)阻值各異的穩(wěn)定狀態(tài)。近年來(lái)結(jié)構(gòu)上更優(yōu)化的垂直磁矩型隧道結(jié)使得大規(guī)模制造成為可能，從而可望克服成本問(wèn)題。但是此技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)仍然是磁變電阻兩個(gè)狀態(tài)之間的電阻差異比較微弱，無(wú)法應(yīng)用到大容量的多位存儲(chǔ)技術(shù)，大規(guī)模量產(chǎn)尚不明朗。TDK（日本）于2014年首次展出了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲(chǔ)器的原型，容量為8Mb，讀寫速度是當(dāng)時(shí)NOR的7倍多（342Mb/sVS48Mb/s）。

　　相變存儲(chǔ)器是基于材料相變引起電阻變化的存儲(chǔ)器。結(jié)構(gòu)上有電阻加熱器和相變層所組成。目前相變層材料的研究集中在GST系合金。由于重置寫電流較大，相變存儲(chǔ)器的功耗較高，另外寫電流時(shí)間較長(zhǎng)，寫速度較慢。尋找新型相變材料來(lái)降低寫電流，同時(shí)加快寫速度和減少熱擾動(dòng)成為急需解決的難題。美光公司曾于2012年宣布1Gb和512Mb的相變內(nèi)存的首次量產(chǎn)，但是可能替代閃存的大容量相變存儲(chǔ)器由于各種技術(shù)原因，目前尚未問(wèn)世。

　　阻變存儲(chǔ)器作為最重要的下一代新型存儲(chǔ)器，近十年來(lái)受到高度關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、低功耗和易于三維集成等優(yōu)點(diǎn)。存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)為上電極和下電極之間的電阻變化層。根據(jù)電阻變化層的材料，阻變存儲(chǔ)器可分為氧化物阻變存儲(chǔ)器和導(dǎo)電橋接存儲(chǔ)器。前者研究較為廣泛，國(guó)際上已有數(shù)家公司展示了原型產(chǎn)品。2015年初Crossbar（美國(guó)）宣布其阻變存儲(chǔ)器開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段，初期準(zhǔn)備面向嵌入式市場(chǎng)，同時(shí)正加速進(jìn)行容量更大的下一代阻變存儲(chǔ)器研發(fā)，預(yù)計(jì)于2017年面世。美光（美國(guó)）和索尼（日本）也在開(kāi)展阻變存儲(chǔ)器的聯(lián)合研發(fā)。從2007年起，每年半導(dǎo)體領(lǐng)域的幾個(gè)重要國(guó)際會(huì)議（如IEDM和VLSI）均會(huì)報(bào)道最新的研發(fā)進(jìn)展。2014年美光公布了27nm基于CMOS工藝制造的單顆容量16Gb阻變存儲(chǔ)器原型，但目前距離量產(chǎn)仍有較大距離。大規(guī)模量產(chǎn)的最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)較好的均勻性，提高產(chǎn)品良率和可靠性。另外，多位存儲(chǔ)的要求對(duì)電阻變化層的材料也提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。大規(guī)模提高阻變存儲(chǔ)器容量，需要材料和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新。

　　三維閃存成各大公司競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

　　在各種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器產(chǎn)品中，NAND閃存具有高密度、大容量、低成本和高速度等優(yōu)點(diǎn)。目前，NAND閃存產(chǎn)品主要有平面閃存和三維閃存兩大類。平面閃存是指存儲(chǔ)單元在晶圓表面二維平面排列，而三維閃存通過(guò)增加存儲(chǔ)疊層，實(shí)現(xiàn)三維的存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓展了閃存技術(shù)的發(fā)展空間。

　　平面閃存以信息存儲(chǔ)層材料來(lái)劃分，包括平面浮柵閃存和平面電荷俘獲閃存。由于平面浮柵閃存在過(guò)去幾十年間頑強(qiáng)的技術(shù)生命力，平面電荷俘獲存儲(chǔ)器作為前者的技術(shù)替代者一直未獲得機(jī)會(huì)登上主流舞臺(tái)。平面浮柵閃存是最為成熟的NAND閃存技術(shù)，與CMOS工藝完全兼容。其存儲(chǔ)單元包括隧穿層、浮柵、阻擋層和控制柵。隧穿層通常使用氧化硅材料，編程和擦除時(shí)的高電場(chǎng)使得電子以FN隧穿的方式在硅襯底和浮柵之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變閾值電壓。早期的浮柵通常使用N型摻雜多晶硅，由于其數(shù)據(jù)保持特性較差，近年已被P型摻雜多晶硅所取代。為了提高控制柵和浮柵之間的耦合系數(shù)，浮柵普遍采用“瘦高型”的形貌。阻擋層的作用是降低控制柵和浮柵之間的電荷轉(zhuǎn)移，一般采用氧化硅/氮化硅/氧化硅疊層結(jié)構(gòu)來(lái)降低電場(chǎng)。為了降低編程擦除電壓，各個(gè)存儲(chǔ)串列（String）之間的阻擋層會(huì)盡量深入淺槽隔離（STI）中。平面浮柵閃存為了降低成本，單元尺寸不斷縮小，進(jìn)入1Xnm節(jié)點(diǎn)之后，器件耐久性和數(shù)據(jù)保持特性持續(xù)退化，單元之間的耦合效應(yīng)難以克服，很難解決集成度提高和成本控制的矛盾，進(jìn)一步發(fā)展面臨瓶頸。雖然近期提出了很多基于空氣間隔（Airgap）的技術(shù)來(lái)降低單元之間的耦合，但是由于工藝的穩(wěn)定性和良率控制問(wèn)題，一直難以應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)。

　　如今，全球各大NAND閃存壟斷公司如三星（韓國(guó)）、東芝（日本）、美光（美國(guó)）和海力士（韓國(guó)）的技術(shù)都已進(jìn)入20nm尺度，技術(shù)上面臨難以逾越的障礙。為了適應(yīng)大容量高密度的需求，同時(shí)突破平面浮柵閃存的工藝極限，三維閃存技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　三維閃存包括三維浮柵閃存和三維電荷俘獲閃存兩種技術(shù)方案。前者三維浮柵閃存主要由美光所推介，據(jù)稱內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的準(zhǔn)備，由于采用多晶硅浮柵作為存儲(chǔ)層，存儲(chǔ)單元面積更大，在實(shí)現(xiàn)更多層存儲(chǔ)單元層疊時(shí)工藝難度變大。后者三維電荷俘獲閃存主要包括垂直柵型和垂直溝道型。旺宏（我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)）推出的基于垂直柵結(jié)構(gòu)的三維電荷俘獲閃存結(jié)構(gòu)，工藝上要難于垂直溝道型，一直未見(jiàn)其宣告量產(chǎn)。垂直溝道型三維電荷俘獲閃存由三星（韓國(guó)）主導(dǎo)，并已于2014年7月推出32層128Gb產(chǎn)品。

　　據(jù)估計(jì)，目前在集中提升48層256Gb的產(chǎn)品良率，預(yù)計(jì)2016年中會(huì)推向市場(chǎng)，東芝（日本）和海力士（韓國(guó)）也都已發(fā)布2016年48層三維電荷俘獲閃存的量產(chǎn)計(jì)劃。相比于三維浮柵閃存，三維電荷俘獲閃存具有更好的器件可靠性，垂直溝道型三維電荷俘獲閃存目前已成為國(guó)際上最主流的三維存儲(chǔ)器，為了搶占市場(chǎng)有利地位，各大公司的競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。

　　垂直溝道型三維電荷俘獲閃存的關(guān)鍵技術(shù)是超深孔刻蝕和高質(zhì)量薄膜工藝。32層的超深孔深寬比接近30∶1，上下孔的直徑差異要求小于10nm～20nm。柵介質(zhì)多層薄膜不僅要求頂層和底層的厚度基本一致，對(duì)組分均勻性也提出了很高的要求。溝道材料一般為多晶硅薄膜，要求具有很好的結(jié)晶度和較大的晶粒，同時(shí)還需要與柵介質(zhì)之間有低缺陷密度的界面。作為一種電荷俘獲存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元之間幾乎沒(méi)有耦合效應(yīng)。編程和擦除操作分別通過(guò)電子和空穴的隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。為了提高擦除速度，隧穿層通常會(huì)使用基于氧化硅和氮氧化硅材料的疊層結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)層則一般是氮化硅為主的高陷阱密度材料。為了降低柵反向注入，阻擋層則會(huì)使用氧化硅或氧化鋁等材料。垂直溝道型三維電荷俘獲閃存可靠性方面的最大挑戰(zhàn)是電子和空穴在存儲(chǔ)層中的橫向擴(kuò)散，隨著三星推出產(chǎn)品，標(biāo)志著存儲(chǔ)材料方面的技術(shù)瓶頸已經(jīng)獲得了突破。

　　當(dāng)前我國(guó)可從三維閃存快速切入市場(chǎng)

　　隨著全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、智能家居、便攜設(shè)備等應(yīng)用帶動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了全面的發(fā)展契機(jī)，此為“天時(shí)”。我國(guó)是全球第二大經(jīng)濟(jì)體，也是最大的存儲(chǔ)產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，改變我國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面，在該領(lǐng)域擁有自己的核心技術(shù)和產(chǎn)品，也符合國(guó)家的戰(zhàn)略需求，此為“地利”。國(guó)家和地方適時(shí)推出了集成電路產(chǎn)業(yè)基金，存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為重點(diǎn)支持的方向，在此背景下，將可能招募大批存儲(chǔ)技術(shù)方面的領(lǐng)軍人才，同時(shí)我國(guó)在近十年半導(dǎo)體發(fā)展中也積累了一大批具有較高技術(shù)水平的存儲(chǔ)器研發(fā)人才，這為我國(guó)迅速整合這些力量建立中國(guó)存儲(chǔ)技術(shù)的研發(fā)體系提供了保證，此為“人和”。

　　不同于基于微縮技術(shù)的平面閃存，三維存儲(chǔ)器的關(guān)鍵技術(shù)是薄膜和刻蝕工藝，技術(shù)工藝差別較大，而且除了三星，其他企業(yè)在三維存儲(chǔ)器方面走的并不遠(yuǎn)?；诖?，中國(guó)企業(yè)通過(guò)技術(shù)合作，專利授權(quán)許可，快速切入該領(lǐng)域，避免了國(guó)際企業(yè)在傳統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中的設(shè)備折舊優(yōu)勢(shì)，并且在這個(gè)技術(shù)變革過(guò)程中我們又有望實(shí)現(xiàn)彎道超車。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)前可以集中在三維閃存的研發(fā)上，快速切入市場(chǎng)。同時(shí)與國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商進(jìn)行設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的聯(lián)合研發(fā)，將極大地降低成本，增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，全面占領(lǐng)閃存市場(chǎng)。

　　在這方面，國(guó)內(nèi)的存儲(chǔ)芯片企業(yè)武漢新芯走在了前列。2014年武漢新芯和中科院微電子研究所通過(guò)產(chǎn)-研深度結(jié)合的模式，發(fā)揮雙方優(yōu)勢(shì)，展開(kāi)三維閃存的聯(lián)合技術(shù)研發(fā)。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的技術(shù)攻關(guān)，2015年武漢新芯宣布三維閃存研發(fā)取得突破，具有9層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器芯片下線并一次性通過(guò)了存儲(chǔ)器功能的電學(xué)驗(yàn)證。目前，武漢新芯三維閃存研發(fā)正在朝著產(chǎn)品化穩(wěn)步推進(jìn)。除了主流閃存技術(shù)的研發(fā)外，中國(guó)企業(yè)還需積極開(kāi)展新型結(jié)構(gòu)、材料、工藝集成的前瞻性研究，在新一代技術(shù)（如三維X-Point、三維阻變存儲(chǔ)器和自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲(chǔ)器等）中擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展提供技術(shù)支撐。（中科院微電子所研究員霍宗亮）

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)電子報(bào)

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