下一代非易失性存储器设计技术

随着闪存技术不断向更小的几何尺寸发展，提供更高的密度和更低的每比特成本，非易失性存储器市场正在快速增长。与此同时，改进的智能、连接性和直观界面的融合正在推动非易失性存储器的新应用和持续市场增长。

非易失性存储器应用可分为独立和嵌入式系统解决方案。独立应用程序往往主要受成本和对下一代产品的持续需求驱动。虽然成本在嵌入式解决方案中也很重要，但嵌入式系统需要寿命、扩展功能（扩展的温度范围、更高的可靠性、更高的性能、低功耗等）和支持。由于其可靠性和性能，嵌入式市场主要依赖 NOR 闪存用于代码存储等关键应用，而 NAND 通常用于不太关键的数据存储。

近年来，与 NAND 技术相比，NAND 技术的扩展更为积极，并且在扩展到更小的几何尺寸方面面临更大的挑战。因此，该行业正在评估许多探索性技术，目的是在可接受的性能和可靠性水平下实现更高密度的可扩展性和降低成本。

使用浮栅 NAND 突破极限 
尽管业界已经找到了推动 NAND 可扩展性的方法，但使用当前的浮栅技术以相同的速度扩展到超过 20 nm 的行业看起来极具挑战性。

浮栅技术缩放的主要挑战是相邻单元之间的间距减小。较小的间距使得难以填充相邻浮栅单元之间必要的层间电介质和控制栅。细胞的紧密接近也显着增加引起相邻细胞干扰的电容耦合。

电荷陷阱和三维 (3D) NAND 
为了继续微缩 NAND 闪存，业界正在评估两种可能的微缩至 20 纳米以下的方法： 1) 三维单元；2）平面单元，例如Charge Trap NAND。

3D Flash 技术采用“堆叠”方式。人们可以把它看成是技术层层叠叠，就像一座高层建筑，每一层代表不同的存储单元。这项技术的挑战在于，您拥有非常高的“堆叠”和非常高的纵横比（高度与宽度之比），这在均匀图案化和沉积材料方面造成了加工挑战。此外，堆叠电池结构的高纵横比使其机械稳定性较差。

平面电荷陷阱 NAND 技术与更传统的浮栅技术的不同之处在于，它使用一层非常薄的氮化硅膜（约 100 埃 (A)）来存储电子，而不是典型的浮栅存储层超过 1000 埃的厚度。较薄的氮化硅层显着降低了相邻单元的电容耦合，并消除了在浮栅之间的狭窄和高纵横比空间中填充层间电介质的挑战。

图 1. 平面电荷陷阱 NAND 架构。

电阻式 RAM 电阻式 
RAM 或 RRAM 是许多公司、大学和国家实验室正在探索的另一种新型非易失性技术。RRAM 依靠两种不同的电阻状态来定义存储器的零状态和一状态。这是通过改变两个金属接触层之间的介电材料的电导率来实现的。

确定正确的材料组合是 RRAM 研究的一个关键领域。导电桥基和氧基是正在探索的更有前途的材料。

基于导电桥的 RRAM 由两个金属接触层（其中一层包含银等材料）和中间的高电阻绝缘体组成。在金属层之间施加电压，形成银基导电细丝，从而导致低电阻状态。当您改变电压方向时，细丝会在金属接触层之间断开并产生高电阻状态。这是内存的两种状态。

图 3. 电阻变化存储器阵列互连层的顶视图示意图。

图 4. 存储元件阵列的电路原理图，说明了三个关键组件：电阻变化存储单元、选择器件和互连，

基于导电桥的 RAM 的挑战是能够在存储阵列的一个单元和许多单元内创建可重复、可再现的灯丝。另一个问题是，由于基于导电桥的 RRAM 通常依赖于硅制造设施中不常见的材料（例如银），因此将这些新材料引入硅晶圆厂时存在污染和加工方面的挑战。

氧基 RRAM 在两个金属接触层之间使用氧化物绝缘体。氧化物材料被选择并设计为非化学计量的（它具有过量或不足的氧气水平）。当向金属接触层施加电压时，它会创建一条穿过绝缘体的路径，该路径要么高阻，要么低阻，具体取决于施加的偏置电压的方向。同样，基于氧的 RRAM 面临的挑战是在单元内和多个单元内创建可重复、可再现的电阻路径。与导电桥基材料相比，氧基材料（例如氧化铪）与现有晶圆厂的兼容性更好。

要使 RRAM 成为具有竞争力的解决方案，需要选择非常好的器件。一些公司正在寻求使用位于金属层内的二极管，而不是位于硅基板内的晶体管，这样几何形状就足够小，可以实际构建下一代非易失性存储器。

相变存储器 
相变存储器也由两个金属接触层组成。在两个金属接触层之间是硫族化物材料，主要基于 GeTeSb，可以处于非晶绝缘相或多晶导电相。

这些材料通过加热和淬火过程进行相变。温度高达 600 度的局部加热是由流过材料的电流产生的。在过去的一两年中，许多公司已将低密度 PCRAM 引入市场。但是，PCRAM 的编程周期数有限，编程时间慢，并且在高温下性能不佳。PCRAM 还需要高电流和高功率才能达到编程所需的温度，因此难以扩展。

磁阻 RAM 
许多公司、大学和研究实验室正在探索的其他存储器之一是磁阻 RAM 或 MRAM。MRAM 有两个版本，toggle 和 spin-torque。

MRAM 由两个金属接触层组成。在金属接触层之间，有两层磁性材料，一层在极化方向上固定，另一层可切换，由绝缘体隔开。如果两层磁性材料具有相同的极化方向，则存储单元处于低阻状态。如果它们在相反方向极化，则它处于高电阻状态。

为了对切换 MRAM 进行编程，将电流施加到编织在磁性材料下方和上方的金属线上，从而产生局部磁场。两条线之间施加电流的顺序决定了一个磁性层相对于另一个磁性层的极化方向。

要对自旋扭矩 MRAM 进行编程，电流实际上会流过整个材料堆栈。固定磁性层内的大部分电子在一个方向上自旋。根据流经固定磁性材料的电流方向，来自固定磁性层的电子与另一个磁性层中的电子相互作用，迫使它们处于与固定层相同或相反的自旋方向。

Toggle MRAM 现已投入生产，密度范围从 256 Kb 到 16 Mb。Toggle MRAM 具有快速读/写访问时间和无限读/写周期。然而，将切换 MRAM 缩放到更小的几何形状和更大的密度具有挑战性。自旋扭矩 MRAM 有望更具可扩展性，同时需要更少的电流来切换。然而，自旋力矩 MRAM 仍处于研究阶段。自旋转矩 MRAM 面临的挑战是在保持可靠性的同时实现可再现、可重复的切换。

MRAM、PCRAM 和 RRAM要想 
成为主要的存储器技术，将不得不严重依赖新材料的创新。另一方面，Planar CT NAND 和 3D NAND 可利用现有材料，并可快速成为商业上可行的高密度浮栅 NAND 替代品。