半导体存储器分类介绍

半导体存储器分类介绍

§ 1. 1 微纳电子技术的发展与现状

§1.1.1 微电子技术的发展与现状

上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。此后为了提高电子元器件的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高。1962年，由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组装成的集成电路（IC）成为微电子技术发展的核心。

自从集成电路被发明以来[1,2]，集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模（VLSI），再到现在的甚大规模集成电路（ULSI）的发展阶段。

随着集成电路制造业的快速发展，新的工艺技术不断涌现，例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等，这些新的技术被迅速推广和应用，使器件的特征尺寸不断的减小。其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米，甚至是亚30纳米。器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度，同时又使运算速度和可靠性大大提高，价格大幅下降。随着微电子技术的高速发展，人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候，新的挑战已经悄然到来。微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久？摩尔定律还能支配集成电路制造业多久？进入亚微米领域后，器件性能又会有哪些变化？这一系列的问题使人们不得不去认真思考。20世纪末期，一门新兴的学科应运而生并很快得到应用，这就是纳电子技术。

§1.1.2 纳电子技术的应用与前景

2010年底，一篇报道英特尔和美光联合研发成果的文章《近距离接触25nm NAND闪存制造技术》[4]，让人们清楚意识到经过近十年全球范围内的纳米科技热潮，纳电子技术已逐渐走向成熟。电子信息技术正从微电子向纳电子领域转变，

纳电子技术必将取代微电子技术主导21世纪集成电路的发展。

目前，半导体集成电路的特征尺寸已进入纳米尺度范围，采用32纳米制造工艺的芯片早已问世，25纳米制造技术已正式发布，我们有理由相信相信亚20纳米时代马上就会到来。随着器件特征尺寸的减小，器件会出现哪些全新的物理效应呢？

（1）量子限制效应。当器件在某一维或多维方向上的尺寸与电子的徳布罗意波长相比拟时，电子在这些维度上的运动将受限，导致电子能级发生分裂，电子能量量子化，出现短沟道效应、窄沟道效应以及表面迁移率降低等量子特性。

（2）量子隧穿效应。当势垒厚度与电子的徳布罗意波长想当时，电子便可以一定的几率穿透势垒到达另一侧。这种全新的现象已经被广泛应用于集成电路中，用于提供低阻接触。

（3）库仑阻塞效应。单电子隧穿进入电中性的库仑岛后，该库仑岛的静电势能增大e2/2C，如果这个能量远远大于该温度下电子的热动能K B T，就会出现所谓的库仑阻塞现象，即一个电子隧穿进入库仑岛后就会对下一个电子产生很强的排斥作用，阻挡其进入。

以上这些新的量子效应的出现使得器件设计时所要考虑的因素大大增加。目前，国际上较为先进的是25nm半导体制造工艺，在这样小的尺寸范围内进行器件设计不仅仅要考虑单个器件可能因尺寸等比例缩小所带来的各种量子效应，还要考虑器件与器件间距不断缩小可能出现的各种可靠性问题以及Cu互联线之间的各种耦合效应。目前，包括Intel、IBM、Samsung以及TSMC在内的各大企业都投入了大量的人力、物力用于研究纳米尺度下可能面临的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法、技术标准和检测手段。在这样的背景下，如何更好地掌握和利用这些新的物理效应，并将其应用于新型的纳米器件中就显得尤为重要，而这正是本文研究的出发点。

§ 1. 2 新一代非易失性半导体存储器的分类与发展

§1.2.1 非易失性半导体存储器的种类与特点

2008年，美国IBM实验室提出“存储级内存”(SCM, Storage-Class Memory)的概念[5]，用于概括新一代的非易失性闪存技术。IBM公司对SCM的定义为：

能够取代传统硬盘并对DRAM起到补充作用的这样一类非易失性数据存储技术[8]。据IBM提供的资料，SCM大约在五年之内可实现商品化，到时1Gb的成本大约只有闪存的1/3，同时具有比传统存储器更高的性能，高的性价比使得SCM 能够很快取代传统存储设备中的硬盘。如图1.1所示，SCM的出现必将对计算机数据存储系统的发展路线产生深远影响。

图1.1 半导体存储器发展路线示意图

（图片来源：IBM Research Center）

有望成为下一代非易失性存储器候选者的SCM主要包括以下几种：铁电随机存储器（FeRAM）、磁阻随机存储器（MRAM）、阻变随机存储器（RRAM）、相变随机存储器（PCRAM）。

FeRAM利用铁电晶体的铁电效应来实现数据存储，铁电晶体在自然状态下分为正、负两极。当在外加电场时，晶体中心原子在电场作用下运动，极性统一最终达到稳定状态；当电场撤除后，中心原子恢复原来的位置，因此能够保存数据。FeRAM的一个基本存储单元由电容和场效应管（所谓的2T2C结构）组成，如图1.2所示。电容由两电极板中间沉淀晶态铁电晶体薄膜材料组成，目前应用最多的铁电晶体主要为钙钛矿材料。FeRAM的优点是速度快、功耗低、无需擦除即可反复写入；存在的问题是当达到一定的读写次数后将失去耐久性，另外，减小单个存储单元尺寸，提高存储密度以及提高器件可靠性也是亟待解决的问题。

图1.2 铁电随机存储器结构示意图

（图片来源：）

MRAM的核心是磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction,MTJ），常用的材料为氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）等等。通过外加磁场（如图1.3左所示）或电场（如图1.3右所示）驱使MTJ极化方向发生变化，出现平行和反平行两种状态，而这两种状态所对应的磁阻（Tunneling Magnetoresistance,TMR）有很大差异，因而可以用低阻和高阻作为“0”和“1”两种不同的状态。MRAM的擦写速度极快、耐久性很高同时功耗也很低，但磁性材料大多与常规的CMOS 工艺不兼容，要做到大规模集成还有很多困难。近年来，MRAM作为SCM一个强有力的候选者得到很多闪存厂商的青睐，相关研究工作也在紧锣密鼓地进行，相信假以时日MRAM一定可以大展宏图。

图1.3 磁阻随机存储器原理示意图

（图片来源：http://techon.nikkeibp.co.jp）