寡助的PRAM

　　PRAM與DRAM、FeRAM在結構上還是有相似之處，它在平板電容部分做了結構型調整，采用了GST結晶體作為存儲核心，并為結晶體配備了一個加熱器。通過加熱器對結晶體進行加熱控制結晶體狀態，在結晶體狀態下呈現低電阻狀態，加熱后呈現非結晶體高電阻狀態。由于是晶體結構，在斷電以后也能夠長時間保持晶體狀態，以此表示存儲“0”和“1”。這種結構的讀寫速度與目前DRAM相當，只是在微小化方面較DRAM有很大提高，理論上這種結晶體能夠微小化到5nm，取代目前MLC NAND的可能性也較大。只是目前力挺PRAM只有三星和IBM等少數廠商，技術發展潛力較MLC NAND還是有很大的弱勢，目前它還停留在研發和試驗階段。

　　PRAM結構圖

　　離我們最近的3D NAND

　　前面兩種新存儲結構在目前應用于大容量存儲還不夠成熟，東芝、三星與海力士決定通過新技術將MLC NAND的壽命延長，畢竟在MLC NAND的資金投入太大。3D，無論在電影還是半導體行業都成了熱門詞匯，Ivy Bridge處理器讓大家初步認識了3D晶體管，現在3D NAND技術也浮出了水面。東芝、三星與海力士都提出了各自的3D結構，預計在未來三年投入市場，到時候存儲顆粒將呈現“百家爭鳴”的狀態，現在我們以三星和東芝3D結構來先睹3D NAND的魅力。

　　3種3D構圖

　　從3D構圖可以看出，東芝P-BICS與三星TCAT結構看起來完全不一樣，其實它們原理是一樣的。首先通過交替淀積多個氧化層和氮化層的方法形成疊層，然后使用濕法蝕刻將疊層中的氮化硅（即氮化層）蝕刻掉，最后填充鎢材料形成字線（Word line），位線（Bit line）及觸點結構。

　　可能單就講解讓讀者看起來較抽象，先看看結構圖（制造流程圖），前面我們講過它是交替淀積多個氧化層和氮化層，圖中的灰色部分就是氧化層（Oxide film），黃色就是氮化層（Nitride film），通過干法蝕刻挖出字線（Word line）。然后利用濕法蝕刻掉氮化層，在氮化層部位構建金屬控制柵。那么它的存儲單元在哪兒呢？就在金屬柵周圍，只是存儲單元不再是多晶硅的浮柵，而是換成了氮化硅（SiN）。氮化硅因為結構特殊，電荷往往會自動積聚到它的晶格周圍，有點像靠某種手段強制收集電荷的意思，所以三星將這種結構就命名為電荷捕獲型柵級結構。從圖中（三星3D結構單元圖）我們可以看到在金屬柵下面由Al2O3致密氧化物作為與存儲單元的隔絕層，底部SiO2是電子穿越層，電子穿過SiO2進入氮化硅而積聚電荷。

　　制造流程圖

　　看起來這種結構非常的完美，存儲單元也很多，但實現起來卻非常困難。首先是挖高深寬比的深溝槽問題，由于蝕刻問題，較難實現絕對垂直。其次是它內部結構有凹槽，問題就在于往內部生長致密氧化膜和填充金屬柵，高深寬比溝槽必然造成底部與頂部的反應物質不均性，凹槽內的膜厚與表面凹槽內的膜厚肯定會不一樣。而且高深寬比溝槽在填充金屬柵的時候也容易出現“空洞”，這在半導體制造中絕對是個大忌。不過這種結構還有一個好處就是可以利用過時的制造工藝實現，如50nm工藝，而且生產線投入也沒有20nm級工藝大。利用50nm制造出的產品在相同面積上的容量上完全可以趕上現在20nm MLC NAND容量，這樣一來存儲顆粒的成本也就降下來了。

　　三星3D結構單元圖

　　大勢所趨的ReRAM

　　相信PC硬件迷們都是知道，最初的機械硬盤體積很大，容量也只有幾十兆。巨磁效應的發現讓機械硬盤容量有了質的飛躍，而垂直記錄技術的應用讓機械硬盤容量繼續呈線性增長，目前消費級機械硬盤已經達到了4TB。SSD固態硬盤呢？有什么東西讓它在容量上也像機械硬盤那樣飛躍呢？

　　3D結構的ReRAM。

　　答案是憶阻器（Memristor）或者叫記憶式電阻。關于ReRAM的發展和應用，在《微型計算機》8月上的《記憶式電阻—顛覆PC架構的革命？》做了介紹，這里只補充一點它的基本原理、材質與相關大容量存儲方案。憶阻器的結構非常簡單，與二極管極為相似（只是材料為TiO2）。以TiO2為兩個漂移區，一側為正常成分的TiO2，一側為少氧的TiO2（寫為TiO2-x）。當從左側通正電壓，由于電場作用，右側TiO2-x中的電子運動到TiO2中，然而TiO2-x中因為結構組成而缺少電子，電子向左側運動后，右側完全形成了耗盡區，相當于右側成了一個斷路，整個狀態呈現高阻態。當右側TiO2-x帶正電，在電場的影響之下，TiO2中電子向TiO2-x運動，補充TiO2-x本來就缺少的電子，讓整個狀態呈現一種平衡狀態，電阻也低。在斷電情況下這種材料能夠完全記憶各自的狀態，且不需要晶格變化。通過控制電流的變化就可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，則這種電阻就可以實現存儲數據的功能，而且電流流過就能立馬實現讀寫，讀寫時間延遲很小。

　　研究人員利用這種材料研究出了網格交叉存儲單元，就像圍棋的交叉格，上下兩集電路，交叉點利用憶阻器作為存儲單元，每個交叉點就一個存儲單元，只需要計算存儲點的坐標位置就可以很快實現讀寫定位。存儲單元沒有了其他的元件，完全能夠解決面積問題，而且能夠微小化到10nm以下。由于這種結構簡單，工藝難度也非常小，沒有3D垂直的深溝槽，沒有內部凹槽，但3D NAND的多層堆積也適用。所以ReRAM在芯片面積、容量方面、與工藝難度相對于3D NAND都有較大的優勢，在大容量存儲方面的應用前景無可限量。