主流存儲器技術發展現狀

半導體存儲器可以簡單分成易失性存儲器和非易失性存儲器，易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態隨機存取存儲器（SRAM）、動態隨機存取存儲器（DRAM）為主，非易失存儲器反而不斷有新的技術出來。除了主流的電荷捕獲（charge trap）存儲器外，還有鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）。

鐵電存儲器與DRAM類似，是基于電荷存儲機制，傳統的鐵電存儲器由于存在微縮化的問題，僅僅在0.13μm節點以上，在RFID、汽車電子等小眾市場（niche market）上實現了產品化。

新型的非易失存儲器PRAM、MRAM和RRAM主要通過器件電阻的變化來存儲信息。

主流的存儲器最重要市場份額有兩大類：DRAM和NAND閃存。圖1給出了其市場的分布，目前DRAM行業基本上被三星、海力士和美光三家壟斷，大概占了全球市場的95%，NAND市場的壟斷情況更為嚴重，三星、東芝/閃迪、美光、海力士幾乎壟斷了整個NAND市場，占了全球市場的99.2%。

圖1 全球DRAM、 NAND的市場份額分配

從技術的角度來看，DRAM發展過程中研究者也做了很多其他嘗試，例如嘗試capacitor less DRAM，但遺憾的是都沒有成功，目前DRAM依然是一個選通晶體管加一個Capacitor的結構。

在不斷微縮的過程中，選通晶體管可以像邏輯工藝一樣做，但Capacitor做起來非常難，所以DRAM現在到了1Xnm向1Ynm轉變的過程遇到了非常大的挑戰。

目前，大容量、高帶寬、低功耗、低成本，是DRAM發展的一個趨勢，可以考慮從模塊封裝的角度做一些工作。中國長期以來沒有在存儲器里做太多的投入，但目前已經有兩家企業進入到裝機和試產的階段。一個是合肥睿力，直接切入1Xnm技術進入正面競爭；福建晉華主要面向niche market，這兩家公司預計在2019年會有少量的產品出來。

NAND技術發展現狀主要有兩個方面：1）2D NAND工藝已經邁入1z nm階段，三星14 nm、東芝12 nm、SK海力士13 nm、美光15nm已于2015年宣布量產；2）由于2D NAND縮放受限，自2014年開始，3D NAND技術進入市場，目前Samsung和WD/Sandisk均已量產64層/512Gb的3D NAND，計劃量產96層3D NAND。

中國過去幾十年在存儲器領域雖然沒有太多的投入，但在近幾年有大量的布局。國內近幾年在整個IC制造業的投入是過去幾十年里投入最大的，國家投入的企業福建晉華、合肥長鑫，而三星3D NAND的量產第一個是西安做的，目前第二期的建設也已經開始。國家在存儲器領域投入最大的一筆資金是支持長江存儲3D NAND的量產。

新型存儲器技術發展現狀

磁存儲器（MRAM）

所有的新型存儲器都是從凝聚態物理基礎研究演變而來。MRAM（magnetic random access memory）最早是由巨磁阻效應發展而來，磁科學家研究發現可以在很薄的一個磁性隧道結里展現出磁阻效應，并且在很小的磁場下會有一個巨大的電阻變化。基本原理如圖示：這是一個固定層，自旋方向是固定的，中間是遂穿層，如果自由層的自旋方向與固定層一致，整個隧道結磁阻就比較小，反之磁阻就大，外加電場撤掉后，狀態依然維持，所以可以用于非易失存儲。磁存儲器有其他存儲器無法抗衡的優點，疲勞特性好、速度快，當然也存在一些問題，例如傳統的MRAM需要一個特別大的磁場。由磁場驅動轉向更高性能的電流驅動（STT-MRAM），臨界電流密度和功耗仍需進一步降低，電控磁化反轉是目前研究熱點。目前全球工業界給予MRAM很多關注，美國、歐洲、日本和韓國等政府及公司巨資投入開發，并依靠工藝突破保持技術領先，包括IBM、Seagate、WD、Headway、TDK、Toshiba、Samsung、Honeywell、Sony、Toshiba等公司。

相變存儲器（PRAM）

相變存儲器（phase-change random access memo，PRAM），是一種新興的非易失性存儲器技術。相變存儲材料在加熱的情況下可以在晶態和非晶態之間轉變，實現在高阻態和低阻態的可逆轉變，工業界對該項技術也投入了很大的力量，但非常遺憾，在平面的獨立式存儲上沒有獲得成功。2015年Intel和美光推出的3D Xpoint技術，為PRAM的量產帶來了新的生機，被譽為20年來存儲器領域革命性的新技術，揭開了存儲器層次架構演變的新篇章，對于計算機系統的重構與優化具有深遠的影響。與DRAM相比，3D X-point不需要刷新，另外DRAM的讀取過程是破壞性的，電荷會丟失，在讀操作后需要重新寫入數據，但3D X-point不需要，雖然速度慢一些，但比NAND快很多，同時它的密度又比DRAM大，幾乎可以與NAND相抗衡。

遺憾的是，3D X-point采用是平面堆疊的方式，不像3D NAND的垂直堆疊架構，與之帶來的就是高成本，這也是3D X-point技術進一步發展的局限性。另外，相變材料基本的原理，就是要在熱的作用下發生晶態和非晶態的轉變，所以它對溫度非常敏感，在高溫環境中的可靠性問題是一個挑戰。

阻變式存儲器（RRAM）

有關阻變式存儲器（resistive random access memory，RRAM）的第一篇論文也很早，JAP上有一篇文章是關于所謂電阻效應的工作，但并沒有引起多少關注，因為跟巨磁阻效應相比，它的物理重要性并沒有那么大。但在2000年的時候，休斯公司把一個專利賣給了夏普公司，由此引發RRAM研究熱潮，隨后學術界和工業界都在這方面開展了廣泛的研究工作，RRAM技術得到了快速發展。

目前RRAM作為嵌入式存儲器已經在一些領域得到應用，特別是到22 nm節點以后，eFlash在嵌入式應用面臨挑戰，基于后段工藝集成的新型存儲器RRAM、MRAM將成為嵌入式存儲的主要技術方案。臺積電2017年就宣布，2019年開始在嵌入式應用里，RRAM和MRAM都將試產。

目前來看，這兩個技術（MRAM、RRAM）在嵌入式應用里的相對來說更有可能進入量產。新型存儲器現在可能還找不到能夠像當年的3D NAND或NAND的應用場景，但的確他們有各自的優勢和劣勢找到自己的應用。

非易失存儲器發展趨勢

圖2 非易失存儲器基本存儲器單元和集成架構的發展趨勢

傳統的閃存技術獲得巨大成功，但隨著器件尺寸的不斷縮小，遂穿層厚度難以同步減小。如圖2所示，未來非易失存儲器有以下兩種不同的技術發展路線：

1）將導電的多晶硅存儲層換成分布式的存儲介質，這樣可以降低對阻擋層厚度的要求，能夠把電子禁錮在存儲層里，這種技術叫電荷俘獲存儲。

2）拋棄原有結構，采用兩端器件作為基本存儲單元。

而在集成架構方面，獨立式存儲如果無法實現三維集成，集成密度將無法提升。電荷俘獲存儲器是3D NAND的基礎器件，實現了三維集成。同樣的道理，新型存儲器如何無法實現三維集成將很難在獨立市場上得到應用，三維集成是高密度存儲器發展的主要方向。

中國科學院微電子研究所相關存儲器工作

電荷俘獲存儲器

1）從能帶工程出發，引入新材料/結構，綜合優化CTM隧穿層/俘獲層/阻擋層，實現低壓、高速、長數據保持和多值存儲。包括采用Al2O3等優化阻擋層；TiW等金屬納米晶、Au-Al2O3核殼納米晶、納米石墨烯等作為電荷俘獲材料，并結合ZrO2、HfO2、HfAlO、HAH等優化高k介質俘獲層；SiO2/HfO2等優化高k介質隧穿層。

2）在實驗室工作的基礎上，2008年開始與產業界合作研發納米晶閃存，在生產平臺上首次完成納米晶存儲器系統研究；獲得自主產權納米晶存儲技術整體解決方案，解決了納米晶存儲材料分布均勻、存儲器物理模型仿真、集成工藝、可靠性及芯片集成等技術難題；完成了單管結構（1T）、分裂柵結構（1.5T）、存儲管+選擇管結構（2T）三款存儲器件IP研發（圖3）。

圖3三款存儲器件示意圖

3）與中芯國際合作研制大容量閃存芯片，突破了設計的關鍵技術瓶頸，掌握了核心設計技術,完成了128Mb和1Gb兩款芯片的設計、流片和驗證。與SMIC一起完善了閃存芯片的設計規則，并幫助優化了SMIC的65納米浮柵閃存關鍵工藝開發與可靠性。在閃存芯片設計與制造技術開發的基礎上，后續與國內的設計公司聯合進行閃存產品設計。4）合作開發3D-NAND技術。2014年10月，中國科學院微電子研究所與武漢新芯集成電路制造有限公司（以下簡稱武芯）簽署了“關于先進存儲器合作開發協議”，雙方共同組建了“中科新芯三維存儲器研發中心”。在前期中國科學院微電子研究所派出20名成員的團隊雙跨到武芯，作為核心成員直接參與3D-NAND技術研發。中國科學院微電子所在存儲器領域許可的相關專利和技術是武芯存儲器產品自主研發的初始來源和主要基礎，這是國內高端集成電路產品研發首次采用自主技術。

RRAM研發

課題組在阻變存儲器（RRAM）研究工作基本與國際同步，選擇了氧化鉭和氧化鉿這兩種主要的阻變材料。研究初期發現很多材料都可以展現出阻變的特性，但基礎的原理并不容易被闡明，有一些自相矛盾的現象。課題組采用一些新型的表征手段進行了系統的研究，例如電學的表征、原位TEM、熱分析統計、第一性原理計算等。

在深入研究阻變機理的基礎上，器件性能改善也是非常重要的方面，課題組進行了系列研究工作，包括摻雜改性、局域電場增強、雙層結構設計、界面調控、編程方法優化等。

因為RRAM是一個兩端器件，兩端器件如何實現集成也是一個關鍵問題，課題組先后實現了1kb到64Mb的原型芯片、自選通RRAM器件、三維垂直RRAM陣列等。

2015年開始將平面集成工作推進到RRAM產業化應用上，與中芯國際合作，在工藝線上實現了1Mb 28nm RRAM芯片。后續與國家電網合作研發搭載RRAM新一代電力芯片，中國科學院微電子研究所負責RRAM原型技術（包括材料、結構、集成方案、IP設計等）SMIC負責工藝開發、良率控制；國家電網（智芯）負責定義規格需求、開發系統應用。

與此同時，課題組進一步探討了阻變存儲器三維集成，并成為國際上該領域最好的研究小組之一，2015、2017年在中國科學院微電子研究所工藝線上分別實現了RRAM四層和八層垂直三維集成工藝。

表1 3D V-RRAM、3D Xpoint及3D NAND的技術對比

表1列出了3D V-RRAM、3D Xpoint及3D NAND的技術對比。相比于Intel的3D X-point技術與主流的3D NAND技術，3D V-RRAM在讀寫延遲、功耗、耐久性和可微縮性等方面具有明顯的優勢。

與此同時，課題組也開展神經網絡硬件架構設計的研究工作，從憶阻仿生器件及其集成、仿生神經元電路設計到存算一體神經網絡架構設計，實現了器件、電路、架構三個層面逐層推進、協同設計，完成了從系統設計到物理實現的完整流程。工作也得到了華為公司的支持，設立了新型憶阻器計算陣列技術研究項目。

在解決實際應用方面，針對商業衛星主控FPGA開發出MCP存儲芯片，具有以下有點：大容量（256Mb）、低成本、抗空間輻射（單粒子效應）；支持商業衛星功能（FPGA程序）實時在軌升級；支持FPGA主機程序多版本切換，可對在軌衛星功能模式進行靈活切換。成功開發出3.3V 64Mb和1.8V 128Mb兩款軍品Flash，并通過JB597B檢驗，已經成功實現銷售。

結 論

存儲器應用廣泛，市場非常龐大，是國家戰略性高技術產業。新的存儲技術層出不窮，在新型存儲器研究方面，國內的基礎研究走在了前列，也希望基礎研究的優勢能夠轉化成未來產業發展的優勢，抓住存儲器技術發展多元化的新機遇及國家大力發展存儲器產業的契機，實現突破。兼顧自主創新和國際合作，兩者要有一個共贏的模式；同時在產業發展的新形勢下更要注重原始創新；鼓勵原始創新/技術突破，開展共性基礎研究為產業自主發展奠定基礎。中國最大的優勢就是市場需求，面向中國市場需求是創新跨越的新機遇，實現存儲器技術的跨越式發展。