低功耗小尺寸：電阻式RAM終于來了！

　　電阻式RAM（（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的低功耗和小單元面積的特點(diǎn)使其成為非易失性存儲(chǔ)器中的佼佼者。

　　平面型的DRAM和NAND大概在16nm或10nm以下的尺寸上再也堅(jiān)持不了幾年了，現(xiàn)在人們都在吹捧新類型的存儲(chǔ)器，包括相變RAM（PCRAM），鐵電RAM（FRAM），磁阻RAM（MRAM），和最近的電阻式RAM（ReRAM和CBRAM（導(dǎo)電橋接EAM））。

　　幾年以來TechInsights都在對(duì)Numonyx和三星的PCRAM，Ramtron的FRAM，以及飛思卡爾及其子公司Everspin的MRAM。這些器件都已經(jīng)出現(xiàn)在市場上了，但從中都還沒有出現(xiàn)能取代NAND或DRAM的趨勢，因?yàn)檫@些器件的尺寸和功耗水平還和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以匹敵。而電阻式RAM則能同時(shí)滿足低功耗和小單元面積的要求，這使得其成為目前最有潛力的非易失性存儲(chǔ)器。

　　Adesto和松下是兩家?guī)韮煞N不同的電阻式存儲(chǔ)器的公司。Adesto提供了32KB到128 KB的單獨(dú)內(nèi)存芯片導(dǎo)電橋接RAM（CBRAM），主要的目標(biāo)市場是物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用。松下則提供了嵌入了ReRAM的8位MCU，可用于便攜式的醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備、安全設(shè)備和傳感器設(shè)備。目前這些市場都還小眾，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)給DRAM和NAND帶來明顯的威脅。

　　Adesto RM24EP128KS CBRAM的結(jié)構(gòu)圖像

　　嵌入了ReRAM的Panasonic MN101LR05D 8位MCU結(jié)構(gòu)圖像

　　平面型NAND和DRAM的尺寸收縮確實(shí)已經(jīng)走到了盡頭。為了應(yīng)對(duì)這一情況，三星、美光、SK-海力士和東芝都在研究這些器件的3D架構(gòu)。例如三星就在2014年秋天發(fā)布了3D V-NAND存儲(chǔ)，主要用在固態(tài)硬盤中；而AMD也指望在其即將到來的390X GPU使用上SK-海力士的高帶寬內(nèi)存（HBM）。

　　接下來，我們將仔細(xì)了解一下Adesto和松下的產(chǎn)品。

　　Adesto在其RM24EP128KS中使用了一種導(dǎo)電橋接技術(shù)，一晶體管一電阻器（1T1R）CBRAM產(chǎn)品，而這項(xiàng)技術(shù)基于銀/鍺硫化物/鎢存儲(chǔ)單元（如下圖所示）。CBRAM的原理是導(dǎo)電細(xì)絲處于固態(tài)電解質(zhì)中（寫入）或通過施加的偏置電壓使導(dǎo)電細(xì)絲破裂（擦除）。如銅和銀一樣可氧化的電極提供了組成絕緣電解質(zhì)中導(dǎo)電細(xì)絲的金屬離子的來源。Adesto使用銀陽極來存儲(chǔ)離子，鍺硫化物玻璃作為電解質(zhì)，陰極則是惰性鎢材料。

　　Adesto CBRAM單元

　　一個(gè)施加到銀陽極上的正向偏壓將導(dǎo)致銀離子遷移進(jìn)入鍺硫化物層，形成連接鎢陰極底部的導(dǎo)電細(xì)絲（導(dǎo)電橋）。而反向的偏壓則會(huì)逆轉(zhuǎn)這一過程。

　　對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)而言，銀和鍺硫化物都是不尋常的材料，而Adesto的商業(yè)模式也是無晶圓廠模式，因此所能選擇的代工廠是非常有限的。Adesto現(xiàn)在的合作伙伴是Altis Semiconductor，一家位于法國Corbeil-Essones的專業(yè)的代工廠。當(dāng)然，因?yàn)锳ltis在2011年曾經(jīng)入股Adesto，所以這樣的合作看起來也理所當(dāng)然，同時(shí)，Altis也獲得了Adesto CBRAM的技術(shù)授權(quán)。

　　Altis的2013年公布的技術(shù)路線圖eCBRAM正在130納米CMOS工藝上進(jìn)行開發(fā)，但看起來還沒有任何產(chǎn)品出現(xiàn)。

　　Altis路線圖

　　另外我們要指出的是，Adesto在2013年曾發(fā)表了一篇論文，他們介紹了一種新一代的CBRAM，其使用了在其陽極中包含半導(dǎo)體組件的一個(gè)非晶合金，并且使用了非晶氧化層作為交換層。據(jù)稱，這種第二代的單元與第一代CR + BRAM相比，在經(jīng)過了回流焊操作之后提升了數(shù)據(jù)的保持能力。

　　松下是第二家提供電阻式RAM（ReRAM）的公司，MN101LR系列單片機(jī)就使用了這項(xiàng)技術(shù)。這些單片機(jī)是在松下原來所有的Tonami工廠生產(chǎn)的，使用的是180納米CMOS工藝。Tonami工廠現(xiàn)在是松下和TowerJazz一起運(yùn)營的合資企業(yè)。

　　松下使用二元過渡金屬氧化物（氧化鉭）作為夾在上電極（銥）和下電極（鉭系電極）的可變電阻層。松下的第319號(hào)專利更進(jìn)一步描述了鉭氧化物具有兩個(gè)子層，其中一個(gè)底部鉭氧化物層是通過反應(yīng)性濺射法在鉭靶上形成的缺氧層TaO1.43）。這種沉積的鉭氧化物然后會(huì)經(jīng)過一個(gè)氧化工藝增加上層的氧含量從而得到TaO2.45，這在化學(xué)計(jì)量上和Ta2O5很接近。

　　松下ReRAM單元

　　可以通過在上電極上施加一個(gè)負(fù)偏壓脈沖可以將坦氧化物的電阻從高阻態(tài)切換成低阻態(tài)，而如果在上電極上施加的是正向電壓脈沖，然后其電阻又會(huì)回到高阻態(tài)。

　　關(guān)于ReRAM單元到底是如何工作的，松下提供了一些提示。他們的319號(hào)專利指出缺氧層（TaO1.43）是導(dǎo)電的，而TaO2.45層則是有阻的，而電阻的切換就發(fā)生在TaO2.45層。在2012年的一篇論文中，松下在TaO2.45層中形成了導(dǎo)電細(xì)絲，這其中使用到了氧空位。

　　氧空位跳和Frenkel-Poole傳導(dǎo)機(jī)制是開關(guān)行為的早期解釋，而最近的研究顯示上部TaO1.43和上覆的銥電極之間的氧化還原反應(yīng)是電阻變化的主要原因。我們可能無法真正了解這一物理現(xiàn)象的具體過程，但這對(duì)于ReRAM是確實(shí)有效的！

　　對(duì)于Adesto和松下而言，要將他們的存儲(chǔ)單元的尺寸繼續(xù)下降是很有限的。Adesto使用的Ag和GeS2限制了其代工廠的可能選擇，而Altis現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝水平還在130納米。而且Altis的產(chǎn)品路線圖也還沒有規(guī)劃低于130納米的技術(shù)引進(jìn)。Adesto也許可能能夠通過另一家工廠的前端處理克服光刻的限制，再讓Altis來生產(chǎn)Ag和GeS2內(nèi)存單元層，然后再在第一家選擇的代工廠完成晶圓的制造。物流可能很有壓力，但這是一個(gè)可行的解決方法。

　　松下可能在減少尺寸上有更好的選擇，TowerJazz的工藝技術(shù)已經(jīng)能降到45納米。而松下也已經(jīng)在其MN2PS009圖形處理器的設(shè)計(jì)中有45納米段的處理器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，他們也還設(shè)計(jì)生產(chǎn)過32納米的MN2WS0150 HKMG處理器。

　　這兩款產(chǎn)品都沒有要注定成為大型商業(yè)存儲(chǔ)的競爭者，但是他們的目標(biāo)市場（物聯(lián)網(wǎng)和便攜式系統(tǒng)）確實(shí)需要這些。而三星、SK-海力士、東芝和美光這樣的公司可能會(huì)更容易生產(chǎn)針對(duì)大型商業(yè)存儲(chǔ)市場的ReRAM產(chǎn)品。比如說，三星在2011年的電子器件會(huì)議（IEDM）上展示了使用3D工藝制成的垂直型電阻式RAM。在這些器件中使用的垂直結(jié)構(gòu)有一個(gè)垂直中心TiN電極，該電極涂有一層TaOx存儲(chǔ)層，并且由W/TiN水平電極進(jìn)行環(huán)繞。水平電極會(huì)在另一個(gè)頂部堆疊以得到VVRAM結(jié)構(gòu)。三星提到可以將VRAM的層數(shù)提高到32層甚至更高，所以他們最近在其發(fā)布的3D V-NAND中使用了39層金屬柵極就不那么令人驚奇了。

　　美光和索尼則在2014年的ISSCC（國際固態(tài)電路會(huì)議）上展示了一款16GB ReRAM，生產(chǎn)所采用的是27納米工藝，單元尺寸為6F2。一個(gè)雙層CuTe/絕緣層組成了電阻組件。索尼說過16GB ReRAM的存儲(chǔ)級(jí)產(chǎn)品可能在2015年正式上市。

　　所以ReRAM現(xiàn)在要用于我們的智能手機(jī)還為時(shí)尚早，但不久之后它們就要開始出現(xiàn)了，我們也希望能在最新的智能手機(jī)上看到它。