3D閃存將優先于RRAM技術進入市場

基于金屬氧化物的非揮發性存儲器 ──電阻式RAM(RRAM)，在11nm節點前不可能進入市場;在此之前，堆疊式浮閘NAND閃存相對較具潛力，而且很可能會朝向2~4Tbit的獨立型整合芯片發展，IMEC研究所存儲器研究專案總監Laith Altimime說。

Altimime 揭示了閃存發展藍圖，并展示在17nm節點采用垂直8層堆疊，從傳統浮閘閃存轉換到所謂的SONOS閃存。他聲稱在14nm~11nm節點堆疊數量還可增加到16層。而RRAM要進入實際應用，也必須擁有類似的堆疊架構才能在市場上競爭。SONOS全名為Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon(硅-氧-氮化硅-氧-硅)。

IMEC已經和主要的存儲器制造商，包括爾必達(Elpida)、海力士 (Hynix)、美光科技(Micro)和三星(Samsung)等，就閃存和后續的存儲器技術展開合作。但這份名單中顯然缺少了東芝 (Toshiba)。目前所提出的存儲器晶體管堆疊均為獨立芯片(monolithic)，但未來除了芯片堆疊外，也可能會在封裝階段進行。

IMEC表示，RRAM必須注意11nm節點后與閃存發展藍圖的交會點

針對RRAM，IMEC主要瞄準基于鉿/氧化鉿的材料。Altimime表示，他們之前研究過這些材料，目前這些材料展現出非常精確的層狀架構設計，最佳化了DC/AC電氣性能，并具備良好的R-off到R-on比。IMEC也認為它具有良好的開關機制，這與晶格中的氧空穴(oxygen vacancies)運動有關。

在今年六月的VLSI技術研討會中，來自IMEC的研究團隊就SiO2/HfSiO/NiSi材料分析了RRAM的熱絲性能(filament properties)，展示如何依照可藉由量子力學傳導模型而量化的熱絲性質在高電阻狀態實現最小電流。

在華盛頓的國際電子設備會議(International Electron Devices Meeting)中，IMEC的研究人員也提出了基于HfO2的RRAM單元，其尺寸小于10nmx10nm，具有HF/HfOx電阻元件 (resistive element)，每位元開關能量約0.1pJ或更低。其耐受性為5x10^7周期。然而，IMEC還未進行大規模陣列或RRAM的堆疊設計。“我們主要是為合作伙伴展示概念。每家公司都會有自己的芯片設計，”Altimime說。

走向堆疊

RRAM的高讀寫周期數，是該技術超越閃存的關鍵優勢──閃存的耐受周期正隨著芯片微縮而減少。在22nm節點，閃存的耐受周期大約低于10^4。

這也是存儲器廠商競相尋求下一代最新存儲器技術的主要原因，惠普最近和Hynix宣布2013年底前將推出商用化的憶阻器存儲產品(參閱電子工程專輯報道：“閃存終結者”憶阻器或于2013年商用化)。

然而，Altimime表示，他對此感到相當驚訝。“你將浮閘推展到極限就意味著3D了。針對16nm浮閘，3D BiCS是可用的，”他指的是東芝所提出的3D NAND閃存選項。

大多數存儲器制造商都提出了3D閃存架構，如東芝和SanDisk的P-BiCS(pipe-shaped bit cost scalable);三星的TCAT(terabit cell array transistor);VSAT(vertical stacked array transistor)和VG(vertical gate)等。

通過整合單芯片的8、16或32層等非揮發性存儲器元件，平面設計規則可以放寬或至少維持在目前的25nm左右，但尺寸仍然超越2D存儲器。事實上，Altimime表示，為達到可接受的良率，平面設計規則必須再放寬。層數愈多，代表設計愈復雜，且良率更低。因此，其開發重點會集中在將各種技術折衷并最佳化，包括關鍵尺寸、獨立芯片整合以及多芯片整合，Altimime說。

“從研發到實際商品化還需要3~4年的時間。我們制訂了工程時間表，我們認為堆疊式閃存將會優先，而后可能會是RRAM。”