全球存储器产业技术趋势

　　1. DRAM

　　DRAM单元和电路结构已成为经典，目前看不到替代技术的苗头。DRAM核心技术在于高质量电容的优化(密度与漏电)，工艺与设计结合是DRAM制胜的关键，因此DRAM市场主要是IDM公司的天下。未来，复杂结构上的高质量High-k、与FinFET结合3-D Cell等是技术发展的趋势。

　　从DRAM产品来看，三星、海力士、尔必达、美光和南亚均已切换到主流DDR3产品线，而台湾厂商多以Niche Market(即低次代)产品为主。

　　从工艺平台角度来看，在40纳米工艺平台上，尔必达被点名40纳米良率不高 ，而海力士40纳米工艺平台更出现设计问题，美光的合作伙伴南亚科与华亚的50纳米制程良率问题也未解决。因此，在相当长一段时间内，主流工艺仍为5xnm工艺平台。而原奇梦达BWL(埋藏字线)工艺依靠独特工艺优势，芯片面积和功耗优势明显，目前65nm BWL工艺平台仍具备一定竞争力，自2010年9月份以来，奇梦达46nm BWL的工艺平台开始在台湾华邦晶圆厂导入，目前已开始新工艺DRAM产品的试产，良率表现良好，预计年底实现量产。

　　2. SRAM

　　SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。SRAM主要用于二级高速缓存(Level2 Cache)。

　　从设计和制造技术的角度看，SRAM作为存储器的特点不突出，倒更象一个高速IC;面临的技术挑战也与IC一样，即纳米尺度下的功耗问题及工艺波动引起的不确定性问题。对于SRAM来说，功耗、速度的权衡(Trade-off)是最重要的。未来，与“宿主”一起开发嵌入IP设计技术是介入SRAM领域很好的途径。

　　3. Flash

　　多值是Flash进一步挖掘密度潜力的一个重要途径，目前的主流产品是2bit的，将来还可能发展成为3、 4bit。另外，CTM(转制)存储器开始进入实用，将在未来2-3年内成为Flash的主流结构，并主导NVM市场10年左右。

　　但是，传统浮栅结构面临等比例缩小极限和互感电容的问题，无法应用到40nm工艺以下。Flash器件的物理本质决定了它一定早于Moore定律寿终正寝，其固有的写入速度慢(ms级)、擦除电压高(10V左右)和擦写次数受限(106)等问题无法解决，Flash面临工艺和物理限制，因此，急需发展新型非易失存储技术。

　　4. 新型存储器

　　存储器技术是一种不断进步的技术，随着各种专门应用不断提出新的要求，新的存储器技术也层出不穷，每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走进历史，因为开发新技术的初衷就是为了消除或减弱某种特定存储器产品的不足之处。

　　未来新型存储器主要包括相变存储器、铁电存储器、磁阻存储器以及阻变存储器等。

　　(1) 相变存储器(PCM)

　　它是新一代非易失性存储器技术。它是一种利用材料中的可逆相态变化来存储信息的非易失性存储器。PCM兼有NOR flash ，NAND flash和 RAM或EEPROM相关的属性。

　　PCM的优点可归结为以下几个方面。1)如同RAM或EEPROM，PCM可变的最小单元是一位。闪存技术在改变储存的信息时要求有一步单独的擦除步骤。而在一位可变的存储器中存储的信息在改变时无需单独的擦除步骤，可直接由1变为0或由0变为1。2)PCM如NOR闪存与NAND闪存一样是非挥发性的存储器。早期Intel进行的兆比特PCM存储阵列能够保存大量数据，该实验结果表明PCM具有良好的非挥发性。3)如同RAM和NOR闪存，PCM技术具有随机存储速度快的特点。这使得存储器中的代码可以直接执行，无需中间拷贝到RAM。PCM读取反应时间与最小单元一比特的NOR闪存相当，而它的带宽可以媲美DRAM。相对的，NAND闪存因随机存储时间长达几十微秒，无法完成代码的直接执行。4)PCM能够达到如同NAND的写入速度，但是PCM的反应时间更短，且无需单独的擦除步骤。NOR闪存具有稳定的写入速度，但是擦除时间较长。PCM同RAM一样无需单独擦除步骤，但是写入速度(带宽和反应时间)不及RAM。随着PCM技术的不断发展，存储单元缩减，PCM将不断被完善。5)PCM可以不断缩小体型，而NOR和NAND存储器的结构导致存储器很难缩小体型。PCM集其它各类型存储器的优点于一身，如果在高端系统使用低延时PCM技术，有望大大提升系统性能。

　　(2)铁电存储器(FeRAM)

　　它是利用铁电晶体的电滞回特性，来存储数据的一种新型存储器， FRAM 记忆体不需要定时刷新，掉电后数据立即保存，它速度很快，且不容易写坏。目前铁电存储器的两大先驱是Ramtron和Symetrix公司，这两家公司的许可权购买方包括各大重要的半导体制造商，如富士通，海力士，IBM，英飞凌，Oki，松下，Raytheon，Rohm，三星，意法半导体，德州仪器以及东芝等。已有多款商业产品出现。目前铁电存储产品主要集中在传感器，RFID控制器等需要非挥发存储，而且难以提供Flash所需要的高压的应用环境。

　　铁电存储器的优点在于非挥发存储，功耗低，单位存储单元面积小，读取速度快，不需要高电压操作。但是缺点在于：1)铁磁材料损害硅基底，因此在铁磁层和硅之间必须加入一个铂隔离层。因为铂几乎不与其他材料反应，因此非常难于蚀刻。更加激进的工艺更会加重这种情形。2)因为铁电材料会污染CMOS工艺线，因此铁电存储器普遍采用前端CMOS电路和后端存储单元分开生产的模式，提高了成本而且难以采用最新工艺来生产铁电存储器。

　　(3)磁阻存储器 (MRAM)

　　磁阻内存的存储原理则完全不使用电容，它采用两块纳米级铁磁体，在界面上用一个非磁金属层或绝缘层来夹持一个金属导体的结构。通过改变两块铁磁体的方向，下面的导体的磁致电阻就会发生变化。电阻一旦变大，通过它的电流就会变小，反之亦然。目前的MRAM采用一种称为自旋扭矩转换(spin torque transfer STT)的新技术，利用了放大的隧道效应。

　　与铁电存储器一样，磁阻存储器也具备SRAM一样的速度，接近DRAM的存储密度，而且具备非挥发特性，但同样的与CMOS工艺的不兼容性导致目前难以在最新工艺平台上开发产品。

　　(4)RRAM(阻变存储器)

　　RRAM通常采用金属—绝缘介质—金属(MIM)的三明治结构，通过绝缘介质的电阻转变进行工作。RRAM是国际上最近兴起的新型存储器，其中过渡金属氧化物RRAM在近两年内得到国际重要大公司同时力推，包括三星、SHARP、IBM、NEC等。

　　在RRAM的电阻转变材料方面。2005 年三星制备了交叉阵列的50nm技术的阻变存储阵列，并且具有较小的工作电流和改善的转变电压分布; 2007 年富士通提出Ti 掺杂NiO 组成的1T1R 型阻变存储单元，速度可达5ns，电流小于100uA ;三星2007 年也报道了采用Ti 掺杂NiO 组成的双层1D1R 型结构8×8 阵列来演示RRAM 高密度集成;在2009 年的IEDM 会议上，台湾工研院报道了采用台积电(TSMC)0.18 标准工艺成功制备了存储密度为1-Kb 的RRAM 阵列电路，采用的1T1R 型存储单元尺寸为30×30nm2，成品率达到100%，可在40ns 宽脉冲工作模式下转变106 次以上，且保持特性可达10年等良好的非易失性存储特性 ;2010年日本SHARP报道了基于CMOS工艺的容量为128Kb的RRAM样品 ; 2010年ISSCC上美国的Unity Semiconductor报道了90nm工艺制造的64Mb测试芯片，但是未报道单元存储特性。总体来看，以上报道的研究成果均为试验芯片，研究进展也主要集中在材料、单元和关键工艺的研究和小规模演示电路的水平。

　　由于目前DRAM和flash的技术成熟程度和规模，即使往下发展技术上有很多挑战，大约五到十年内很难有新的技术可以替代，在某些特殊领域，也许有新的存储器类型可能胜出。从目前的结果看，最有可能仍然是RRAM,因为该技术具有和现有的CMOS工艺的良好的兼容性，易于等比缩小以及低功耗等性能。

　　表一 新型存储器与闪存性能比较