适用于更低工艺节点的存储技术

　　在关机之后，许多应用的存档数据或系统信息不能丢失。这些任务落在可在线写入(至少，通常许多次)的非易失性(NV)存储器身上。随着工艺尺寸的缩小，NV存储器传统上使用的浮栅数据存储技术面临着越来越多的挑战，这预示着需要由不断衍生的新技术来接替。

　　可在线写入的NV存储器有很多应用。在消费电子领域，NV存储器用于存储用户数据、用户设定的参数及照片和媒体文件。在嵌入式系统中，NV存储器可用于存储配置参数、校准数据及用于通电复位的系统状态信息。在几乎所有需要下载应用软件或更新系统软件(而不更换元件)的应用中，NV存储器都可以作为可改写程序的存储设备。

　　大多数NV存储器的技术是浮栅。场效应晶体管栅极上的电荷数量决定了自身传导电流的能力。浮栅晶体管有两个栅极：一个与电路相连接(与其它FET一样)，但另一个在电气上与电路隔离(浮空)，因而，这个栅极上持有的电荷可永远保持下去。在正常的电路运行中，没有电流可以流到浮栅，但高电压可以击穿栅极周围的绝缘层从而形成电荷隧道，使电子移入或移出该栅极。因而，用浮栅持有的电荷就可代表存储的数据值，浮栅晶体管就可作为存储元件。自从该技术面世之后，已经产生了许多类型的使用浮栅的存储器件，其中包括E2PROM和闪存。

　　然而，随着半导体工艺不断向更小的尺寸推进，浮栅技术正在面临一些问题。“制造商们正在逼近浮栅技术可达到的极限，他们正在寻求替代方法，”存储器制造商Spansion公司营销总监John Nation说。浮栅面临的一个挑战是需要与周围电路隔离。随着电路尺寸缩小，栅极周围的绝缘层也必须缩小。这导致存储器各个比特之间电容耦合增大，制造时可能会在绝缘层中产生微小针孔(pinhole)，从而形成放电通道。

　　因工艺尺寸缩小而产生的第二个挑战，则是引起隧道击穿所需的电压和正常的电路运行电压之间的差距越来越大。随着工艺尺寸缩小，电路必须运行在较低电压以避免损坏，但引起隧穿所需要的电压不是成正比地下降。这使得把擦除/写入电路集成到存储器的其它部分变得越来越困难。电压差距增大，也会提高写入/擦除引起浮栅晶体管因多次写擦而损坏(一种被称为磨损的效应)的可能性。

　　图1：Numonyx公司推出的相变存储器技术，电路元件依靠在晶态和非晶态之间的可逆转换来存储一个比特的信息。

　　由于浮栅技术已接近其缩微能力的极限，存储器开发商已在研究其它方案。最为成熟的替代方案之一是Spansion公司开发的MirrorBit技术，该公司最近已把其架构移植到一个65纳米工艺上，并希望在明年实现45纳米生产。与浮栅技术类似，MirrorBit依靠隧道击穿效应来把电荷存入或移出晶体管的栅极结构，不同之处是存储电荷的介质不是导体。

　　据Nation介绍，MirrorBit单元的非传导性存储栅极有多项优势。首先，由于存储的电荷保持在局部而不是分布在整个栅极上，可以比较容易地设计出多比特存储单元。与传统的浮栅技术不同，无需确定栅极上的电荷数，因为比特值是根据电荷的位置编码确定的。其次，与传统的浮栅技术相比，这种方法更利于工艺缩小。通过隔离来消除单元之间的耦合更加容易，且不太可能因针孔缺陷而导致放电。尽管MirrorBit技术最终也会面临工艺缩小问题，但Nation认为它在十年内都能适应工艺缩小的变化。

　　另一种现场可写入NV存储器方案是半导体IP开发商Sidense研发的1T-Fuse技术。据Sidense的营销总监JimLipman介绍，该公司的1T-Fuse 存储器技术面向需要可编程或多次可编程的NV存储器应用，包括系统工作时的校准设置、ID标签和密钥。Lipman还提到，通过提供未赋定(uncommitted)存储器，开发商可以用可编程器件模仿具有有限次重复可编程能力的器件。

　　Sidense 1T-Fuse存储器的存储单元采用的是一种反融丝技术：通过施加写入电压可把存储数据的绝缘层性地变成导电层。这就使得器件开发者可实现具有高度数据安全性的存储器，Lipman说。离子扫描方法和扫描电子显微镜可以读出浮栅单元的状态，但无法读出1T-Fuse单元的程序状态。1T-Fuse不受浮栅的缩微极限的限制，不要求特殊的制造工艺。Sidense已发布了其存储器单元的一个低功率版本，并可授权给其它公司。

　　图2：用一种非传导性的电荷存储单元替代了浮栅，Spansion公司的MirrorBit NV存储器技术减轻了闪存面临的缩微问题。

　　相变存储器

　　然而，1T-Fuse只有可编程能力，不适合那些需要经常重新向存储器写入内容的媒体播放器等存储应用。而此类应用恰恰是英特尔和意法半导体公司联合投资的Numonyx公司推出的相变存储器(PCM)技术的最终目标。与反融丝技术类似，PCM也通过电路中的物理状态变化来存储信息。但与反融丝技术不同，PCM能够把状态变化逆转。

　　Numonyx公司PCM项目经理Clifford Smith介绍说，硫族化合物层构成了两个电极之间的桥的一部分，相变就发生在这个层内。这种材料类似于那些用于数据存储的可重写CD中所使用的材料。这个层在非晶态时是散射光线的绝缘体，在晶态是反射光线的导体。在存储数据时，包含在桥中的电阻元件会使硫族材料融化。冷却的速度决定了硫族材料是否将变成晶态(变成导体)或保持非晶态(不导电)，即是否在该单元中存储一个比特的信息。

　　PCM几年前就已面世，但只是近来才用于制造半导体存储器。“融化材料需要消耗能量，”Smith说，“但现在存储器单元很小，所需要的功率在实用范围之内。如果在工艺尺寸为10微米时相当于融化一个海洋，那么，现在，相当于融化一个小的池塘。”

　　Numonyx已经开始采用90nm技术样产128Mb的PCM器件。该方法的优点(在理论上)是随着工艺尺寸的缩小变得更容易实现，而非更难。尽管要完全实现商业化尚需时日，目前看来，当工艺技术进展到40纳米或更低时，PCM似乎最终将成为浮栅NV存储器的接班人。