IMEC：3D Flash有潜力 RRAM还需等待

基于金属氧化物的非挥发性记忆体──电阻式 RAM (RRAM)，在 11nm 节点前不可能进入市场；在此之前，堆叠式浮闸 NAND 快闪记忆体相对较具潜力，而且很可能会朝向2~4Tbit的独立型整合晶片发展， IMEC 研究所记忆体研究专案总监 Laith Altimime 说。

Altimime揭示了快闪记忆体发展蓝图，并展示在17nm节点采用垂直8层堆叠，从传统浮闸快闪记忆体转换到所谓的 SONOS 快闪记忆体。他声称在14nm~11nm节点堆叠数量还可增加到16层。而 RRAM 要进入实际应用，也必须拥有类似的堆叠架构才能在市场上竞争。 SONOS 全名为Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon (矽-氧-氮化矽-氧-矽)。
    IMEC 已经和主要的记忆体制造商，包括尔必达(Elpida)、海力士(Hynix)、美光科技(Micro)和三星(Samsung)等，就快闪记忆体和后续的记忆体技术展开合作。但这份名单中显然缺少了东芝(Toshiba)。目前所提出的记忆体电晶体堆叠均为独立晶片(monolithic)，但未来除了晶片堆叠外，也可能会在封装阶段进行。
   

IMEC表示，RRAM必须注意11nm节点后与快闪记忆体发展蓝图的交会点。
    针对RRAM，IMEC主要瞄准基于铪/氧化铪的材料。Altimime表示，他们之前研究过这些材料，目前这些材料展现出非常精确的层状架构设计，最佳化了dc/ac电气性能，并具备良好的R-off到R-on比。IMEC也认为它具有良好的开关机制，这与晶格中的氧空位(oxygen vacancies)运动有关。
    在今年六月的VLSI技术研讨会中，来自 IMEC的研究团队就SiO2/HfSiO/NiSi材料分析了RRAM的热丝性能(filament properties)，展示如何依照可藉由量子力学传导模型而量化的热丝性质在高电阻状态实现最小电流。
    在华盛顿的国际电子设备会议(International Electron Devices Meeting)中，IMEC的研究人员也提出了基于HfO2的RRAM单元，其尺寸小于10nm x 10nm，具有HF/HfOx电阻元件(resistive element)，每位元开关能量约0.1pJ或更低。其耐受性为5 x 10^7周期。然而，IMEC还未进行大规模阵列或RRAM的堆叠设计。“我们主要是为合作夥伴展示概念。每家公司都会有自己的晶片设计，”Altimime说。
    走向堆叠

    RRAM的高读写周期数，是该技术超越快闪记忆体的关键优势──快闪记忆体的耐受周期正随着晶片微缩而减少。在22nm节点，快闪记忆体的耐受周期大约低于10^4。
    这也是记忆体厂商竞相寻求下一代最新记忆体技术的主要原因，惠普(HP)最近和Hynix宣布2013年底前将推出商用化的忆阻器记忆体产品。(请参考：忆阻器取代Flash？　HP拟2013推商用化元件)
    然而，Altimime表示，他对此感到相当惊讶。“你将浮闸推展到极限就意味着3D了。针对16nm浮闸，3D BiCS是可用的，”他指的是东芝所提出的3D NAND快闪记忆体选项。
    大多数记忆体制造商都提出了3D快闪记忆体架构，如东芝和SanDisk的P-BiCS (pipe-shaped bit cost scalable)；三星的TCAT(terabit cell array transistor)； VSAT(vertical stacked array transistor)和VG(vertical gate)等。
    透过整合单晶片的8、16或32层等非挥发性记忆体元件，平面设计规则可以放宽或至少维持在目前的25nm左右，但尺寸仍然超越2D记忆体。事实上，Altimime表示，为达到可接受的良率，平面设计规则必须再放宽。层数愈多，代表设计愈复杂，且良率更低。因此，其开发重点会集中在将各种技术折衷并最佳化，包括关键尺寸、独立晶片整合以及多晶片整合，Altimime说。
    “从研发到实际商品化还需要3~4年的时间。我们制订了工程时间表，我们认为堆叠式快闪记忆体将会优先，而后可能会是RRAM。”