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浮動閘極麵臨微縮瓶頸

編輯:柳州老哥俱乐部電子科技有限公司   字號:
摘要:浮動閘極麵臨微縮瓶頸
NAND Flash記憶體進入20奈米以下製程節點後,將麵臨嚴峻的微縮挑戰,因此記憶體製造商已加緊投入新技術研發,期以三維(3D)空間儲存格結構或電荷擷取(Charge Trap)技術,實現小尺寸、高容量、高穩定度且兼顧開發成本的新一代NAND Flash產品。

非揮發性記憶體的應用可以分為獨立和嵌入式係統解決方案。獨立應用主要受成本和下一代產品的持續需求所驅動。雖然嵌入式解決方案的成本很重要,但產品壽命長、擴展性能(如擴展溫度範圍、更高的可靠性、更低功耗等)和支援能力也是嵌入式係統所必須考量的要點。嵌入式市場主要依賴編碼型快閃記憶體(NOR Flash)的高可靠度和性能,實現重要應用如編碼儲存,而NAND通常用於較不重要的資料儲存。

浮動閘極NAND麵臨限製

近年來,相較於NOR而言,NAND技術一直更積極致力於縮減尺寸,但也麵臨著更大的挑戰。因此,業界正評估一些前瞻技術,目的是實現可擴展的更高容量,並在可接受的性能和可靠性水準的前提下降低費用。

雖然業界已找到擴充NAND的可行方法,但目前要利用超越20奈米(nm)的浮動閘極技術來維持以往產業發展的速度仍極具挑戰性。擴展浮動閘極技術的主要挑戰是儲存格間的間距持續減少,較小的間距難以植入必要的夾層電介質以及相鄰儲存格之間的控製閘門,不僅如此,儲存格間距縮短也大大增加電容耦合造成相鄰儲存格的幹擾。

20奈米以下技術電荷擷取和三維NAND爭出頭

為繼續擴大NAND Flash市場,業界正評估擴展20奈米以下技術的兩種可能方法--三維(3D)空間儲存格或平麵儲存格,如電荷擷取(CT)NAND技術。

3D Flash技術采用堆疊法。所謂技術層的堆疊,就像高層建築的每個樓層代表不同的記憶體儲存格。這項技術的挑戰是產品會有很高的「堆疊」,具有很高的縱橫比(高度超過寬度),造成均一型式(Uniform Patterning)和沉積材料(Depositing Material)的製程挑戰。此外,高縱橫比堆積的儲存格結構也造成機構製造上的不穩定性。

平麵電荷擷取NAND技術與傳統浮動閘極技術的區別,在於它使用一層約100埃(Angstrom)的極薄氮化矽薄膜來儲存電子,而非超過1,000埃的傳統浮動閘極儲存層。較薄的氮化矽膜層大大減少相鄰儲存格電容耦合的問題,也消除須在狹隘且高縱橫比浮動閘極之間植入夾層電介質的挑戰。

電阻式RAM

某些公司、大學和國家實驗室正在探討另一個新的非揮發性技術--電阻式隨機存取記憶體(RRAM)(圖2)。RRAM藉由改變兩個金屬接觸層之間介電材料的導電性能,以形成兩種不同電阻的特質來定義記憶體的0和1狀態。

RRAM研究的一個關鍵議題是找出正確的材料組合。橋基(Bridge-based)以及氧基(Oxygen-based)導電是目前較具前瞻性的材料。

橋基導電RRAM由兩個金屬接觸層組成(其中包括一層銀),中間隔有高電阻絕緣體,經由電壓導入金屬層之間,形成銀基導電絲,產生低阻抗的狀態。當更改電壓方向時,金屬接觸層之間的導電絲斷開後則形成高阻抗狀態,這就是記憶體的兩個狀態。橋基導電RAM的最大挑戰是須能在記憶體內許多單一和多個儲存格中,創建可重複、可重建的細絲。另一個須注意的是因為橋基導電RRAM通常依賴材料(如銀),而非常用的矽生產設備,在將這些新材料引入矽晶圓代工廠時會麵臨汙染和製程的挑戰。

氧基RRAM是在兩個金屬接觸層間使用氧化物絕緣體。氧化物材料的選擇和工程是非化學計量的(Non-stoichiometric)(可使其氧氣水準過高或不足)。當電壓應用於金屬的接觸層時,可根據偏置電壓的方向控製,使其通過絕緣體路徑時產生高或低的電阻。同樣地,氧基RRAM最大的挑戰也是須在許多儲存格和多層儲存格中,創建可重複、可重建的路徑。氧基材料(如氧化鉿)目前比橋基的導電材料更符合現有晶圓廠設備規格。

要使RRAM成為具競爭力的解決方案需要良好的製造設備。目前業界正嚐試使用在金屬層內的二極體,而非在矽基中的電晶體,因為這樣的幾何空間才能小到足以實際用來構建下一代的非揮發性儲存器。

相變記憶體

相變記憶體(Phase Change Memory)也由兩個金屬接觸層組成。中間兩個金屬接觸層是一種硫屬化物材料,大多基於碲基硫化物係統(GeTeSb),該係統可以是非晶質絕緣相或多晶矽導電相。

這些材料經過加熱和淬火過程產生相變。它經由流動的電流通過材料進行局部加熱,使其達到600度高溫來完成。在過去1?2年,數家公司已於市場導入低容量相變隨機存取記憶體(PCRAM)。不過,PCRAM編程周期次數有限、編程時間慢,而且在高溫性能較差。PCRAM還要求高電流和高功率,以達到程式設計所需的溫度,因而難以擴大規模。

磁阻式隨機存取記憶體

目前許多公司、大學和研究實驗室正在探索的是磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。MRAM有磁化切換(Toggle)和旋轉扭矩(Spin-torque)兩個版本。

MRAM是由兩個金屬接觸層組成。介於兩者之間的金屬接觸層有兩層磁性材料,由絕緣體隔開,其中一個固定在極化方向,另一個可轉換。如果兩個磁性材料有相同極化方向,該記憶體儲存格處於低阻狀態。反之,若兩者有相反的極化方向,記憶體則在高阻狀態。

切換磁化MRAM程式編程時,電流會導入編織在磁性材料上下的金屬線,產生局部磁場。施加於兩線之間的電流的序列決定磁性層其中一個極化方向,以相對於另一個產生的方向。

旋轉扭矩MRAM程式編程時,電流實際流經整個材料堆疊層。大多數在固定磁層內的電子會在同一個方向旋轉。根據電流通過固定磁性材料的方向,固定磁層的電子會與其他磁層中的電子互動,迫使固定磁層電子的自旋方向相反或相同。

切換磁化MRAM目前的量產容量從256Kb?16Mb。切換磁化MRAM具有快速讀/寫存取時間和無限讀/寫周期。擴展切換磁化MRAM到較小的幾何空間和較大的容量具有高度挑戰性。至於另一方案,旋轉扭矩MRAM可擴充性預期較高,且切換電流較小。盡管如此,旋轉扭矩MRAM仍處於研究階段。旋轉扭矩MRAM所麵臨的挑戰是如何能達到可重製、可重複交換,同時保有可靠性的要求。

MRAM、PCRAM和RRAM要成為主要的記憶體技術,將高度依賴新材料的創新。另一方麵,平麵電荷擷取NAND和3D NAND可以利用現有的材料,並快速成為商業上可行、高容量浮動閘極NAND的替代產品。
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