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各種先進記憶體在行動設備應用中展開激烈競爭

上網時間 : 2006年06月01日

隨著製程技術的演進，目前主導市場的三種記憶體技術─DRAM、E2PROM/快閃記憶體和SRAM都已經接近它們的基本物理極限，技術進一步升級的許多嘗試都是事倍功半。於是，業界正加緊新型記憶體技術的研發。這些新技術包括FRAM、MRAM、PRAM這些與CMOS相容的嵌入式記憶體設計。透過這些新技術的研發，新的記憶體可以實現10年以上的數據保持能力，奈秒級的讀寫速度以及1012次的讀寫壽命週期。

不要向Meir Avraham詢問有關所謂通用記憶體方面的問題。曾是以色列國防部研究員、現任快閃記憶卡供應商M-Systems公司技術長的Meir Avraham，並不認為單種記憶體能滿足今後可攜式系統的所有需求。


圖1：針對相變記憶體，硫族化材料在程式控制下經加熱可產生高阻的非晶無形態(重置相位)，或低阻的多晶態(置位相位)。


每種新型記憶體都有它的優缺點(詳見表1)，因此必須詳細瞭解每種產品的性能，Avraham表示。相變RAM(PRAM)記憶體如果能夠克服功耗問題，將能挑戰浮動閘NOR快閃記憶體，但無法在成本上與NAND快閃記憶體抗衡。在某些應用中，MRAM可望替代SRAM，但它們的單元尺寸和功耗又比NAND快閃記憶體更大。

“我相信業界不可能出現某種通用的終極記憶體。”Avraham說，“這只是工程師樂於談論的一個夢想罷了。”

事實上，記憶體研發工程師們在過去一兩年內就已不再誇張地談論這個主題了，他們的話語中幾乎見不到通用記憶體這個術語。這些新記憶體技術在經過一段時間的力捧後，許多公司開始冷靜下來，連分析師們也推測這些公司已經在重新從事FRAM、MRAM和PRAM的研發了。

不過飛思卡爾、英特爾和TI公司的經理們強調他們的通用記憶體研究計劃仍在積極進行，不過他們也坦承，對於任何一種新型記憶體的研發來說，這條路都會很漫長，而且難度都相當高。

現有的三種記憶體技術─DRAM、EEPROM/快閃記憶體和SRAM佔市場主導地位的時間都已經有三十多年了，再繼續發展都顯得很艱難。DRAM電容器變得異常的高和薄；為了延伸多晶到多晶電介質，快閃記憶體必須選用高K值的材料；SRAM則隨著製程的演進開始面臨訊息噪音比和軟錯誤率方面的挑戰。

Semico Research公司的DRAM分析師Bob Merritt認為，可攜式系統產業目前流行多晶片封裝(MCP)技術。三星半導體最新的MCP封裝已經將快閃記憶體、DRAM和SRAM晶片堆疊到了8層高。但Merritt指出，MCP在功耗、熱問題和頻寬方面有所欠缺。“我相信業界最終會找到在功耗方面強於目前水準的記憶體技術。”他說，“對英特爾、TI、IBM和飛思卡爾目前的工作有所瞭解後會發現，他們正研發的都是與CMOS邏輯相容的嵌入式記憶體。”

據飛思卡爾公司MRAM技術總監Saied Tehrani透露，該公司最近展示了一款帶氧化鋁穿隧層的90nm MRAM產品。展示結果顯示，可以用包括低K電介質材料的90nm邏輯製程將180nm單元微縮到2.9平方微米。目前飛思卡爾的MRAM部門正嘗試用氧化鎂來代替氧化鋁，據稱如此可改進位元阻抗，並使穿隧層變得稍微再薄一些。該公司在華盛頓舉行的國際電子設備會議(IEDM)上公開了這一研究成果。

氧化鋁層決定了位元阻抗。如果單元尺寸在縮小的同時不改變材料的話，阻抗必然會上升。磁層厚度為30到40埃，而磁穿隧結合處的中間自由磁隔層只有7到8埃。

“我們不準備在厚度上再下功夫了，因為我們必須維持一定的數據保持能力。但我們可能會做進一步最佳化，但不是僅靠減少它的厚度，因此不再讓人擔心。”Tehrani表示。


表1：FRAM、MRAM和PRAM適合邏輯整合。PRAM最終將取代浮動閘快閃記憶體。

飛思卡爾公司的IEDM文章中曾經提到，將穿隧隔層改成氧化鎂可以‘顯著改善用於檢測的訊號。’

磁穿隧結中使用氧化鋁時，當位元從0變到1時，MRAM的阻抗的變化量會達到30%。而採用氧化鎂時，阻抗變化可以達到90到100%，這對MRAM技術來說具有很大的意義。“我們可以使MRAM的速度比目前記憶體的速度更快。感測放大器的速度也可以更快，存取時間可以減少2倍，也可以使MRAM記憶體更具強韌性。總之，你可以想怎麼用就怎麼用。”Tehrani表示。

前年有兩大組織展示了氧化鎂的可行性：其中一個組織由IBM研究員Stuart Parkin領導，他目前在IBM公司設在西班牙的Almaden研究室工作，另外一個組織位於日本，成員包括設備製造商Anelva以及日本通產省產業技術院。

據Tehrani透露，飛思卡爾公司計劃今年發佈4Mb的分離MRAM元件，用戶可用它取代電池供電的SRAM。下一步目標是整合MRAM和邏輯，提高該技術的速度和可靠性。

“一些公司對此抱有很高的但不太現實的期望。”Tehrani表示，“我相信MRAM技術仍會有很大的前途，從飛思卡爾就能看得出來。但就能夠達到對市場產生顯著影響的成本結構和量產數來說，仍存在艱難的挑戰。這也是任何新的記憶體技術都會面臨的挑戰。”

東芝高階記憶體技術部門的經理Hiroaki Yoda認為，MRAM仍然面臨的主要挑戰是編程電流太大。不過Yoda表示，MRAM技術進展非常迅速，如氧化鎂隔層和自旋動量轉移技術的導入就是‘巨大的進步’。


表2：NAND的低成本為競爭者帶來極大的挑戰。相變記憶體功耗較大，但具有很快的寫入速度。



因此，“奈秒級的讀取速度是可能的，而且減少編程電流的目標變得更加接近現實。這與其它新的記憶體技術開發工作完全不同，因為後者並沒有取得太多的技術創新。”Yoda表示。

PRAM滿足英特爾內部目標

負責非揮發性記憶體技術的英特爾研究員Greg Atwood透露，英特爾公司正加大相變記憶體開發的力度。

“目前該計劃正加速，不過我們更願盡量保持低調。我們會不斷看到好的結果出來。”Atwood宣稱，“每當我們這樣說時，就意味著某類產品快要推出。”

英特爾公司也閃爍其辭，即在早期階段大肆炫耀自己的成果，後來又承認相變技術仍面臨一些成本方面的挑戰。

“也許我們在時間安排方面有點過於樂觀，我們正面臨新產品上線的挑戰。但內部計劃會按計劃進行，並滿足內部目標要求。”Atwood表示，“我們仍然很看好相變記憶體，它將成為新一代的NOR和NAND記憶體。”

相變記憶體的最大優勢是它的可伸縮性，他指出。

值得注意的是，自從20世紀70年代以來業界還沒有發明過新的記憶體，Atwood補充道，“我們不會輕易放棄現行的這些記憶體技術。既然目前這些記憶體類型透過升級可以使用30年，我們希望確保下一代記憶體技術至少能透過升級使用10年。”

目前的記憶體都是電荷儲存類型，並且都接近基本的物理極限。許多公司嘗試用新材料進行補償，但記憶體的複雜度隨之快速增加，最終結果卻是事倍功半。

如英特爾正在生產45nm的StrataFlash，並且在實驗室已開發出32nm的快閃記憶體。為了增加儲存電荷，Atwood指出，快閃記憶體供應商需要為多晶到多晶電介質開發高K值的介電材料。在拓展氧化穿隧方面還有更多的工作要做，在某些領域可能需要三維或垂直結構。

快閃記憶體單元的絕大部份面積用於與相鄰單元的隔離。英特爾和其它公司正著眼於自校準觸點，並規劃其它拓展措施以延展浮動閘技術。

Atwood還指出，科學家和工程師控制原子的能力在過去5年中有了‘突破性’進展。“在控制原子過程中產生了大量機會，其中一些機會適用於記憶體領域。”他說，“在下一個十年初期，我們就可以看到在過去5年中研究出的一些材料基礎上開發的新產品。你將會看到如下一些產品，如FRAM、MRAM、可編程金屬化、氧化合金、阻性聚合物、奈米管、分子記憶體甚至整合了像IBM的Millipede方法這類相變技術的MEMS。”所有這些他認為都是與新材料相關的。

TI透過合作加速FRAM研發

TI公司FRAM開發部總監Ted Moise表示，TI仍對與Ramtron在FRAM方面的合作開發充滿信心。

“對於任何新的材料，實現功能、取得量產、最終取得高良率，每一步都是極大的挑戰。”Moise說，“蝕刻FRAM材料也是巨大的挑戰，蝕刻步驟中可能會造成位元損壞。”

在計劃的開始，TI必須設立一套新的生產基礎設備，這就要求採用新的材料和設備程式以及新的測試和可靠性方法。“從無到有製作這套基礎設備需要花很長的時間，不過我們已經有了很大的進步，並且已經生產出一些對TI客戶來說非常有用的產品。”Moise表示。

FRAM的突出優點是具有‘特別低’的功耗，Moise補充道。“在低功率嵌入式領域，FRAM具有很強的競爭力。同時它也相容邏輯庫。對於嵌入式快閃記憶體，編程電晶體需要的高電壓已經成為很大的問題。快閃記憶體和邏輯之間的電壓完全不同。FRAM的單元尺寸大約只有SRAM的三分之一大小。”他表示。

在TI公司位於達拉斯的晶圓廠中，TI透過生產與Ramtron公司合作開發的分離式4Mb FRAM獲得了相關的製造經驗。今年，這對合作夥伴將生產8Mb的FRAM。

在生產分離式元件後，TI將用FRAM實現晶片組。Moise沒有透露哪個晶片組會首先使用FRAM，但他表示公司將在行動電話領域實現更大產量。“在TI公司內部，我們已經多次成功展示整合了嵌入式FRAM的複雜邏輯電路，並且能夠保持良好的功能和良率。”他說，“如果能夠進一步降低成本，FRAM將對嵌入式SRAM形構成很大的挑戰。FRAM在低功率嵌入式領域(不只是高階行動電話)中應該具有很大的市場空間。”

作者：來大偉

posted by C.H. Chen @ 8:40 PM