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认识四大新兴存储技术:PCM、RRAM、MRAM和FeRAM

2023-01-03 超级管理员 2480

  随着万物智联时代的到来,5G、人工智能、智能汽车等新兴应用场景对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性等层面提出了更高要求。DRAM虽然速度快,但功耗大、容量低、成本高,且断电无法保存数据,使用场景受限;NOR Flash和NAND Flash读写速度低,存储密度受限于工艺制程。当传统路径中延续性技术创新的弊端已经暴露出来,市场亟待能够满足新场景需求的存储器产品,新型存储迎来机会窗口。

  新型存储器以四大主流技术路线为主:PCM、RRAM、MRAM、FeRAM,其具备读写速度快、低功耗、非易失性等优点。

  一、相变存储器PCM

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 相变存储器,Phase-change RAM,简称PCM或PCRAM。由于英特尔的Optane产品的面世,相变内存(PCM 或 PRAM)已成为走得最快的新型存储。PCM的原理是:标准 CMOS 逻辑芯片上方的硫属化物玻璃材料因电流注入产生的剧烈的热量呈现不同的相态,从而表现出不同的阻抗和反射率,变为导电或电阻。英特尔曾表示 3D XPoint 的行为有所不同,但并未透露更多信息。

  SK海力士宣布首次应用了PUC(peri under cell)技术,该技术将外围电路放在存储单元的下方,以减少芯片尺寸,提高生产率。目前,国际上仅有三星、英特尔等推出了相关产品,但多为非嵌入式相变存储器产品,距离PCM量产和普及,仍然需要一些时间。

  二、磁性存储器MRAM

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  磁性存储器,MagneTIc RAM,简称MRAM,是一种基于隧穿磁阻效应的技术。自由磁层的磁场极化方向可以改变,固定层的磁场方向不变,当自由层与固定层的磁场方向平行时,存储单元呈现低电阻;反之呈高电阻。目前主流的技术是STT-MRAM,其性能较好,但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠,工艺较为复杂,大规模制造难以保证均一性,存储容量和良率爬坡缓慢。在工艺取得进一步突破之前,MRAM产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域,以及新兴的IoT嵌入式存储领域。

  三星、台积电、Everspin、Global foundries等*国际厂商很早就开始研发MRAM。目前,台积电已经完成22nm嵌入式STT-MRAM技术验证,进入量产阶段;三星在2019年发布了采用28FDS工艺技术的1Gb嵌入STT-MRAM;Everspin与Global Foundries合作,推出了全球*28 nm 1 Gb STT-MRAM客户样品。

  三、铁电存储器(FRAM/FeRAM)

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  铁电 RAM(FRAM 或 FeRAM)是最古老的新兴存储器,其不使用任何铁——它只是有一个磁滞回线,该磁滞回线允许它存储数据。从物理上讲,当对铁电晶体施加电场时,中心原子沿电场方向在晶体中移动,以此表示1或者0;移除电场后,中心原子位置状态不发生改变,这也是FeRAM断电不丢失数据的原因。

  目前主流的铁电材料主要是锆钛酸铅(PZT)和钽酸锶铋 (SBT),但其存在疲劳退化问题,并导致对环境的污染。目前氧化铪 (HfO2) 中被发现存在铁电相,可以通过将硅 (Si) 掺杂到 HfO2 中来稳定铁电相,且不会污染晶圆厂。尽管如今 HfO2并未用于生产FRAM,但它具有广阔的前景,国内也有相应的创业公司在实现这一技术路线。

  四、阻变存储器ReRAM

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  阻变存储器,全称为电阻式随机存取存储器,ResisTIve Random Access Memory,简称为ReRAM或RRAM。RRAM的原理是在外加偏压的作用下,器件的电阻会在高低阻态之间发生转换。目前主流的技术路线主要有两种:氧空缺存储器OxRAM和导电桥存储器 CBRAM,通常是通过将金属离子或氧空位等导电元素移动到桥中,或者通过将它们从现有桥中移除,来表示1或者0。

  目前富士通、松下、Crossbar、东芝、Elpida、索尼、美光、SK海力士等厂商均在开展ReRAM的研究和生产工作。在代工厂方面,中芯国际(SMIC)、台积电(TSMC)和联电(UMC)都在同步规划ReRAM的生产。目前,Adesto的130nm CBRAM和松下的180nm ReRAM已经量产。

  未来新型存储器产业逐渐成熟,将会带动新材料、薄膜沉积、刻蚀、封装测试等业务的发展,同时也给中国企业带来了弯道超车的机会。