新型存储，脱颖而出

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在新型工艺节点上，新型非易失性存储器 (NVM) 技术有望取代闪存，成为嵌入式应用领域的主流存储技术。磁性随机存取存储器 (MRAM) 和电阻式随机存取存储器 (RRAM) 似乎是最有可能的继承者，而相变随机存取存储器 (PCRAM) 则只能在旧工艺节点上继续使用。

与此同时，另一家公司正在开发一种全新的位单元——它甚至有可能取代DRAM。而铁电随机存取存储器（FeRAM）也蓄势待发。

RRAM 和 MRAM 很可能共存，前者成本更低，后者速度更快，更能应对极端条件。两者都比嵌入式闪存更具优势，尤其是在现代工艺节点上，但考虑到 NAND 闪存的成本优势，它们不会对独立闪存构成威胁。与此同时，任何新的位单元都需要时间才能被业界接受。

促使人们考虑非闪存技术的原因之一是闪存供应日益有限，价格却一路飙升。“HBM、DRAM 和 NAND 都在努力满足未来几年似乎永无止境的需求，”Everspin 销售副总裁 Sean Dougherty 表示，“大型厂商实际上已经将可用产能全部分配给了少数几家企业，并退出或减少对其他行业的投入。”

三大长期竞争对手

过去几年中最引人注目的三种非易失性存储器（NVM）技术是磁阻随机存取存储器（MRAM）、电阻式随机存取存储器（RRAM）和相控阵随机存取存储器（PCRAM）。MRAM作为一种独立存储器已经存在一段时间了，尽管主要用于特定应用。PCRAM技术最初应用于音乐CD，但作为存储器的发展却面临挑战。RRAM则是一种较新的技术，但正在逐渐获得市场认可。

UMC区域营销副总裁Suhail Zain表示：“MRAM通常定位于速度更快、耐久性更高的嵌入式应用场景，例如持久工作存储器。”

与此同时，RRAM凭借其成本优势，似乎正瞄准更广泛的系统领域。“RRAM通常用作通用嵌入式非易失性存储器，适用于物联网微控制器中的固件存储或电源管理集成电路（PMIC）中的配置存储器等应用，”Zain表示。

Synopsys嵌入式存储器首席产品经理Daryl Seitzer表示：“MRAM和RRAM都在获得越来越多的关注。从成熟度来看，MRAM发展相当活跃。而RRAM方面，商业化进程也在加速。Nuvaton和Infineon等公司都推出了集成在微控制器中的RRAM。”

尽管经过多年的努力，PCRAM 似乎正在这场竞争中败下阵来。目前还没有商业产品问世，也没有人着手将其移植到 FinFET 及更先进的工艺节点。Synopsys 公司为嵌入式存储器开发编译器，如果客户有需求，他们也可以为 PCRAM 开发编译器。“目前还没有任何客户提出这样的需求：‘我想把它嵌入到芯片中，我想把它设计到我的芯片里，我需要一个编译器来实现这一点。’”Seitzer 说道。

其他人也认同这一观点。英飞凌嵌入式控制器技术概念杰出工程师罗伯特·维斯纳表示：“PCRAM 已应用于平面 CMOS 技术。然而，我们没有看到任何将 PCRAM 应用于 FinFET 节点的举措，而 RRAM 和 MRAM 的研发活动却在进行中。”

可扩展性是关键因素

MRAM 和 RRAM 蓬勃发展的主要优势之一在于它们能够扩展到新的工艺节点。而闪存则基本停留在 28nm 节点。它凭借 3D 架构保持成本优势，这使得闪存的价格远低于其他任何技术。闪存的统治地位如此强大，以至于没有任何新技术旨在超越它最擅长的领域——独立存储器。

塞策尔表示：“独立闪存具有很强的成本优势。目前RRAM或MRAM独立芯片的市场需求并不高。”

尽管闪存在独立存储器方面可能具有优势，但在嵌入式应用中情况则截然相反。“在28纳米及之后的工艺（例如FinFET）中，将闪存集成到最先进的CMOS工艺中已成为一个重大难题，”Wiesner说道。“工艺复杂性大幅增加，而进一步缩小尺寸的潜力却停滞不前。”

因此，MRAM 和 RRAM 被广泛视为嵌入式存储器的福音。它们所需的额外步骤比嵌入式闪存更少，并且提供 NAND 闪存所不具备的字节寻址能力。NOR 闪存也支持字节寻址，并且更常用于在 MCU 中存储代码。但是，如果单片 MCU 需要采用 FinFET 工艺，则 NOR 闪存无法使用。而这正是 MRAM 和 RRAM 发挥作用的地方。

Zain表示： “两者的一个关键优势在于，它们主要可以在半导体制造的后端实施，从而能够相对简单地集成到现有的逻辑平台中，只需少量额外的掩模层。”

Everspin首席执行官Sanjeev Aggarwal表示：“像三星、台积电或GlobalFoundries这样的晶圆代工厂都在提供嵌入式MRAM以及嵌入式RRAM。客户在有商业应用时会选择RRAM，而在注重性能和可靠性的领域，例如工业和汽车行业，则会选择MRAM。”

晶圆代工厂似乎致力于这些技术的发展。“RRAM 和 MRAM 都在晶圆代工厂的长期发展路线图上——RRAM 更多地用于成本优化的代码闪存替代方案，而 MRAM 也可以像 SRAM 一样用于数据存储（满足高耐久性要求），”Wiesner 说。

塞策尔对此表示赞同。“台积电的路线图支持12纳米和6纳米工艺。”

SRAM 会成为目标吗？

有些人胆敢尝试用其他芯片取代 SRAM，仅仅因为 SRAM 对芯片尺寸的影响。“随着制程节点的推进，嵌入式 SRAM 的密度并没有大幅下降，”Dougherty 说。“存储器仍然是芯片尺寸的主要组成部分，而芯片成本非常高昂。”

人们最接近这一目标的希望是，非易失性存储器（NVM）技术可以作为末级缓存。“MRAM 的读取速度不如 SRAM 快，”GlobalFoundries 产品管理副总裁 Jamie Schaeffer 表示，“它们距离皮秒级的读取速度还差得很远，但接近 10 皮秒的读取速度。”

尽管MRAM和RRAM的特性有所不同，但它们的用途却有很多重叠之处。MRAM已在航天和汽车领域得到应用，这两个领域都是环境恶劣的场所。如果针对速度而非数据保持进行优化，MRAM的速度可以比RRAM更快。其目标应用范围非常广泛。

尽管如此，制造要求却十分苛刻。“大多数新兴的非易失性存储器技术可以利用现有的半导体制造基础设施，但一些独特的集成挑战使得工艺要求远远超出标准存储器流程，”Lam Research全球产品管理工程高级总监Anish Khandekar表示。“例如，MRAM图案化通常需要离子束刻蚀来精确定义磁性堆叠，因为传统的等离子体刻蚀不足以处理这些材料。同时，这些器件受到后端热预算的严格限制，因此需要高度可控的低温CVD和ALD工艺。材料方面的挑战也更大。”

MRAM 具有速度优势

MRAM有三种基本技术版本。Toggle MRAM 是最早的版本，由 Everspin 公司作为独立存储器商业化。目前商业化的版本称为自旋转移力矩 (STT)，其位单元比 Toggle MRAM 更小。性能和耐久性往往相互冲突，因此这项技术通常需要针对特定应用进行优化。

MRAM 读写速度快、耐用性好，因此目前市面上常见的翻转式 MRAM 主要用于需要持续写入的数据记录。“无需考虑损耗程度，也无需关注外部电池或电容器，”Dougherty 解释道。

“耐久性和性能之间存在权衡，但这不一定是工艺上的区别，”塞策尔说。“这是实现方式上的区别，取决于你对单元写入的力度。”

第三种方案——自旋轨道转移（SOT）——旨在解决自旋转移矩（STT）的权衡取舍。SOT目前仍处于研究阶段，距离商业化可能还有数年时间。“据我所知，目前还没有商业化产品，”多尔蒂说道。

关键在于找到最适合特定工作负载或应用的方案。“MRAM 是一种后端存储器，拥有非易失性存储器中最快的读写速度之一，”Zain 说。“对于运行环境可控的应用来说，它是一种出色的持久性工作存储器。这包括航空航天系统和具有屏蔽环境的汽车应用。”

其他人也同意这一观点。“我们认为MRAM非常适合汽车MCU领域以及对环境要求严苛的工业自动化应用，”Schaeffer说道。

“我们相信MRAM将在边缘人工智能领域发挥重要作用，”Dougherty说道。“在这些边缘人工智能嵌入式系统中，密度和读写性能更为重要。”

然而，对于外部磁场是否会对MRAM造成实际影响，目前似乎存在争议。对于翻转型MRAM来说，外部磁场可能构成问题，但它们通常采用屏蔽封装。Everspin公司表示，STT MRAM本身不受磁场影响，但无论这种担忧是否合理，业界似乎仍然存在疑虑。

“对于某些应用来说，MRAM的磁化率是一个需要认真考虑的问题，”维斯纳说。“磁场规格要求在生产流程和实际应用中都适用。”

作为唯一一家独立式MRAM供应商，Everspin公司却持不同观点。“我们的STT MRAM具有抗磁干扰能力，这完全取决于我们所用材料的特性，”Aggarwal说道。

RRAM 更便宜

RRAM 有两种类型。导电桥式随机存取存储器 (CBRAM) 的工作原理是通过介质阻挡层创建和破坏金属丝。相比之下，氧空位随机存取存储器 (OxRAM) 则是在介质中移动氧空位。OxRAM 似乎在这场竞争中胜出，并且已经被集成到微控制器 (MCU) 中。

Zain表示：“由于OxRAM的材料基于CMOS中常见的金属氧化物和惰性电极，因此它更适合代工厂进行大批量集成，这有助于实现更清洁的后端集成并降低污染风险。而CBRAM则依赖于活性金属离子的电化学运动来形成和溶解导电桥。这种机制可能会引发更多关于金属扩散和污染控制、工艺窗口狭窄以及逻辑芯片制造环境中可靠性保护带等方面的担忧。”

与CBRAM相比，OxRAM也被认为能够适应更广泛的环境。“OxRAM在高温数据保持和鲁棒性方面更胜一筹，因为它的开关是由氧空位和细丝调制驱动的，而不是通过反复镀覆和剥离金属细丝，”Zain说道。“这使得OxRAM对于那些需要在高温下长时间保持数据，并在宽工作范围内保持一致性能的应用场景更具吸引力。”

RRAM读取速度很快，但OxRAM的写入速度却很慢。“它的速度几乎和闪存一样慢，在某些情况下甚至更慢，”Aggarwal说道。“它不需要批量擦除，但写入速度仍然很慢。”

从优点来看，RRAM 成本更低，尺寸更小。“我看到的主要优势在于 RRAM 技术工艺的简单性——BEOL 堆叠层中只需要一个小型电容器（底部电极、介质层、顶部电极），再加上标准 CMOS 工艺中的一个特定器件，无需特殊材料，也无需特殊工具，”Wiesner 说。

Zain表示：“RRAM与前端CMOS工艺具有很强的兼容性，因此非常适合300mm eNVM SoC平台，包括基于MCU的应用。这种适应性也使得RRAM在将NVM集成到特殊工艺（例如BCD[双极CMOS-DMOS]和嵌入式高压器件）方面极具吸引力。”

英飞凌已选择 RRAM 用于 28 纳米以上制程节点的 MCU。“英飞凌与台积电联合开发的 ATV（英飞凌品牌）RRAM 版本满足了以往嵌入式闪存技术的所有主要要求，”Wiesner 表示，并列举了以下优势：在 175°C 下数据保持时间超过 1000 小时（相当于在 125°C 下约 8 年，在 40°C 下约 20 万年），可承受 25 万次代码更改，读取时间仅需 15.2 纳秒，工作温度范围为 -40 至 160°C，且具有高品质。

英飞凌发现 RRAM 比 MRAM 更容易制造，但该公司也在考虑用 MRAM 取代 SRAM 用于数据存储。

正在悄然上市FeRAM

铁电随机存取存储器（FeRAM）技术已经研发多年，并且实际上已经用于一些特定用途的商业化生产。它依赖于一种可以呈现两种不同结晶取向状态的介电材料。这种介电材料被当作电容器来使用，CEA-Leti 将其称为 FeCap。

FeRAM 的一大优势是极高的耐久性。“如果您需要持续写入信息并以非易失性方式存储，FeRAM 就非常理想，”CEA-Leti 的集成和器件工程师 Laurent Grenouillet 表示，“这就是为什么它如今被广泛应用于商业数据记录产品中的原因。”

FeRAM的另一个优点是写入功耗低。“铁电存储器的优势在于，只需在FeCap两端施加电压（几乎不需要电流）即可写入信息，”Grenouillet说道。“而电阻式存储器则需要电流流过器件，这通常会消耗100倍的能量。”

目前FeRAM面临的最大挑战是尺寸扩展。“PZT材料已经商业化多年，但PZT无法扩展，所以目前其尺寸限制在130纳米，”Grenouillet说道。“PZT与CMOS工艺不兼容，也无法通过原子层沉积（ALD）技术进行沉积。”

CEA-Leti 近期宣布，他们已成功实现采用氧化铪锆 (HZO) 作为位单元的 22nm 铁电随机存取存储器 (FeRAM)。HZO 材料已广泛应用于 CMOS 晶圆厂，并可通过原子层沉积 (ALD) 技术进行沉积。该团队目前正在使用 7nm 厚的薄膜，并致力于将其尺寸缩小至 5nm 或 4nm。

格雷诺耶表示：“嵌入式铁电随机存取存储器（FeRAM）集成需要两到四个额外的掩模。在20纳米工艺下，它的尺寸可以比静态随机存取存储器（SRAM）小2.5倍。”

该电容器呈垂直状，类似于DRAM中使用的电容器（甚至可能更高一些，达到1微米）。“FeCap面积越大，内存窗口的裕量就越大，”格雷诺耶解释道。

几年前，美光公司曾开发过一个32Gb的FeRAM项目，并将其命名为NVDRAM。鉴于其上市时间与标准DRAM竞争，这本质上是一种非易失性版本。然而，该公司至今尚未将其商业化，因此尚不清楚是某些方面使其不适合量产，还是仅仅出于资源优先考虑。

一种全新的位单元

一家名为 Quinas 的新公司开发了一种全新单元，它与任何其他非易失性存储器 (NVM) 技术都截然不同。它采用浮栅结构，但电子到达浮栅的路径却独具特色。

“UltraRAM 是一种化合物半导体浮栅存储器件——实际上是闪存的 III-V 族类似物——但其电荷转移机制截然不同，”Quinas 首席执行官 James Ashford-Pook 表示。“它不是通过介电氧化物进行隧穿，而是利用量子共振隧穿效应，通过精心设计的 III-V 族异质结构进行隧穿。”

Quinas首席技术官Peter Hodgson表示：“顶部是浮栅，下方是类似于闪存的沟道。在闪存中，会有一个介电层来阻挡电荷，防止其从浮栅泄漏。我们利用量子力学原理，制造出一个在未施加电压时电阻极高的区域；但一旦施加2.5V电压，电子就能通过该区域发生共振隧穿。”

Quinas的存储器采用三层AlSb势垒，将两个InAs量子阱隔开。“这些势垒的设计和生长方式使得这两个量子阱的基态能级在零电压下略微错位，”Hodgson解释说。“当器件未施加电压时，电子无法从沟道移动到浮栅，也无法从浮栅返回沟道。”

隧道层极其纤薄，其中一层仅由四层单分子层构成，另一层则由十七层构成。在这样的尺寸下，量子效应占据主导地位。“电子同时存在于所有这些位置，因此波函数基本上会在整个结构中拉伸，”霍奇森说道。

由于这些位单元材料不适合CMOS晶圆厂生产，所以他们选择在III-V族晶圆厂进行制造。“我们这里使用的材料被称为6.1埃半导体族，”霍奇森说道。“GaSb、InAs和AlSb的晶格常数都非常接近6.1埃。硅晶圆厂不喜欢这些材料，因为它们被认为是杂质，但它们在光电二极管、激光器和光电子器件中应用非常广泛。”

这对必须与位单元配套使用的控制逻辑提出了挑战。奎纳斯认为有两种方法可以解决这个问题。一种方法是使用独立的硅控制芯片，然后将其键合到容纳位单元的III-V族芯片上。另一种方法是在III-V族晶圆上开发逻辑电路。

该公司声称其数据保留率极高。至于耐用性，该公司发现经过1000万次循环后，性能没有丝毫下降。

霍奇森说：“我们的记忆保持时间是无限的。我们不想在论文里直接说这一点，因为这可能会引起争议。所以我们画了一条直线，这可能低估了我们的记忆保持时间，但仍然长达1万年，这对于任何记忆来说都绰绰有余了。”

由于采用了温和的编程方法，而非热载流子注入或福勒-诺德海姆隧道效应，数据保持性和耐久性可能更高。“我们认为主要原因是，我们向器件注入的能量非常少，因此几乎没有理由损坏它，”霍奇森解释道。

由于这需要III-V族晶圆代工厂来制造比特单元，因此产量可能会受到此类代工厂产能的限制。“我们并不认为这是一个根本性的限制，尽管这是我们制造策略中的一个重要考量因素，”Ashford-Pook说道。“我们最初的目标市场是那些小批量、高价值的应用，在这些应用中，能源效率、耐久性和持久性比每个比特的成本更为重要。”

性能直逼DRAM

Quinas目前正使用大型测试结构来测试，因此测试结果无法反映缩小到量产节点后的实际性能。“如果我们缩小器件尺寸，我们预计在20nm工艺下将达到1ns的开关速度，这与DRAM的性能相当——实际上可能比DRAM还要快一些，”Hodgson说道。

Quinas 最初的目标是 DRAM，就像 Micron 的 FeRAM 项目一样。它的读取速度很有竞争力，而且无需刷新，因此读取速度更快（因为它不需要重写数据位），功耗也比 DRAM 低。预计单元尺寸为 6F2，因此在成本方面也很有竞争力（直到降至 4F2）。

但现在该公司正调整策略，探索神经形态计算。这种位单元应该能够处理多个层级，从而有可能实现内存计算 (IMC)。目前其产量较低，这使得 Quinas 可以更平稳地提升出货量。

对于此类重大变革，业界向来极其保守。目前的挑战在于如何让所有人相信这个想法是可靠的，并且所有潜在的问题都已得到解决。在位单元进行验证的同时，该公司也在致力于改进制造流程和整体存储器架构，包括配套的数字控制逻辑。Quinas 预计将于 2029 年将产品推向市场。

内存领域日趋复杂

多年来，我们一直使用三种基本内存技术：DRAM、闪存和SRAM。虽然也存在其他技术，但它们并未真正参与大规模生产。这种情况正在改变。

搭载MRAM和RRAM的MCU已经面世，为大规模生产增添了两种新的选择。然而，目前还没有独立版本的MRAM和RRAM。相比之下，PCRAM似乎将被时代淘汰。

FeRAM 的发展一直受制于工艺可扩展性不足，但这种情况可能正在改变。FeRAM 作为一种非易失性存储器 (NVM)，具有令人瞩目的潜力；如果业界有足够的魄力，用它取代 DRAM 将开辟一个巨大的新市场。

至于Quinas公司，它将其技术称为UltraRAM，虽然初期主要面向特定应用，但也将其视为一种通用存储器。这项技术在早期阶段看起来很有意思，但仍有许多工作要做。它最终要么令人失望，要么会成为一项重大突破。几年后我们就能见分晓。

（来源：编译自semiengineering ）

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