日前，知名機(jī)構(gòu)Techinsighs發(fā)布了一個(gè)關(guān)于存儲(chǔ)器未來(lái)路線圖的白皮書。他們?cè)谄渲兄赋觯?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/三星/" target="_blank">三星、美光和 SK Hynix等主要 DRAM 廠商已經(jīng)將 DRAM 單元縮小到低于 15nm 的設(shè)計(jì)規(guī)則 (D/R) 生產(chǎn)。而現(xiàn)在他們一直在開發(fā)n+1 和 n+2 代，即所謂的 D1b（或 1β）和 D1c（或1γ）。

這意味著，無(wú)論是否采用 EUV光刻機(jī)用于 DRAM 單元圖案化，DRAM 單元 D/R 可能能夠進(jìn)一步縮小到 12 納米以下或更高。

眾所周知，由于工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度方面的挑戰(zhàn)，單元縮放正在放緩。從先進(jìn)的DRAM單元設(shè)計(jì)中可以看到一些創(chuàng)新技術(shù)，例如高k介電材料、柱狀（或準(zhǔn)柱狀或單面）電容器工藝、凹槽通道S/A晶體管和HKMG采用。

此外，3D DRAM、高帶寬內(nèi)存 (HBM3)、圖形 DRAM (GDDR6X/7) 和嵌入式 DRAM（10nm、7nm 及以上）技術(shù)將延長(zhǎng) DRAM 的使用壽命和應(yīng)用。

而主要的 NAND 制造商正在競(jìng)相增加垂直 3D NAND 門的數(shù)量，并推出了 1yyL 3D NAND 設(shè)備。例如，三星 V7 V-NAND、鎧俠和西部數(shù)據(jù)公司 (WDC) BiCS6、美光第 2 代 CTF CuA 和 SK 海力士第 2 和第 3 代 4D PUC NAND 。

除了存儲(chǔ)密度之外，3D NAND 原型還用于超低延遲的三星Z-SSD、鎧俠XL-FLASH等NAND應(yīng)用（歸類為存儲(chǔ)類內(nèi)存）。3D NAND 位密度已達(dá)到 10.8Gb/mm2（SK Hynix 176L 512Gb TLC）和 12.8Gb/mm2（Intel 144L 3-deck QLC）。同時(shí)，YMTC 128L Xtacking TLC和QLC產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布。

英特爾則擴(kuò)展了 XPoint 內(nèi)存應(yīng)用，不僅適用于傳統(tǒng) SSD，還適用于 DCPMM 持久內(nèi)存。Intel OptaneTM P5800X SSD 產(chǎn)品采用第二代 XPoint 內(nèi)存技術(shù)，具有四棧 PCM/OTS 單元結(jié)構(gòu)。Everspin 第 3 代獨(dú)立 256 Mb STT-MRAM (pMTJ) 和 1Gb STT-MRAM，三星和索尼的新 28nm eSTT MRAM (pMTJ)，具有 40nm 節(jié)點(diǎn)的 Avalanche eSTT MRAM (pMTJ)，Dialog Semiconductor（舊 Adesto Technologies）第 2 代 CBRAM，而富士通 45nm ReRAM 130nm FeRAM 產(chǎn)品已于 2020 年和 2021 年上市 。

下面，我們來(lái)看一下Techinsights對(duì)存儲(chǔ)器未來(lái)的發(fā)展分析。

DRAM 技術(shù)，趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

圖 1 顯示了來(lái)自三星, 美光, SK海力士，Nanya, PSMC, and CXMT廠商的 DRAM 路線圖。三星、美光和 SK海力士三大廠商已經(jīng)展示了適用于 DDR4、DDR5 和 LPDDR5 應(yīng)用的具有 15nm 和 14nm 級(jí)單元設(shè)計(jì)規(guī)則 (D/R) 的 D1z 和 D1a 產(chǎn)品。三星已在 D1x DDR4 試用車(TV) 產(chǎn)品和 D1z LPDDR量產(chǎn)產(chǎn)品中采用 EUV 光刻技術(shù)，而美光和 SK 海力士則為 D1z 代保留了基于 ArF-i 的雙圖案化技術(shù) (DPT) 工藝。到 2030 年，將生產(chǎn)出D1d（或 1δ）、D0a（或 0α）和 D0b（或 0β）等設(shè)計(jì)進(jìn)一步縮小的幾代 DRAM。另一家來(lái)自中國(guó)的 DRAM 制造商長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)也加入了競(jìng)爭(zhēng)，今年正在開發(fā)D1y 代。

圖 1.由TechInsights 提供的 DRAM 路線圖，顯示 2020 年至 2022 年市場(chǎng)上商業(yè)化的 D1z 和 D1a DRAM 產(chǎn)品。到 2030 年，將生產(chǎn)出D1d（或 1δ）、D0a（或 0α）和 D0b（或 0β）等幾代產(chǎn)品。

圖 2. DRAM 設(shè)備的技術(shù)/應(yīng)用路線圖顯示 6F2 1T+1C 單元設(shè)計(jì)擴(kuò)展到更多下一代 DRAM，盡管 DRAM 廠商一直在開發(fā) 4F2 單元結(jié)構(gòu)，例如 1T DRAM 或無(wú)電容器 DRAM 原型。

到目前為止，已經(jīng)有了 8F2 和 6F2 DRAM 單元設(shè)計(jì)，其中單元包括 1T（晶體管）和 1C（電容器）。這種 1T+1C 單元設(shè)計(jì)將用于未來(lái)幾代 DRAM 的 DRAM 單元設(shè)計(jì)。然而，由于工藝和布局的限制，DRAM 廠商一直在開發(fā) 4F2 單元結(jié)構(gòu)，例如 1T DRAM 或無(wú)電容器 DRAM 原型，作為擴(kuò)展 DRAM 技術(shù)的下一個(gè)候選者之一（圖 2）。具有 B-RCAT 結(jié)構(gòu)的大塊鰭（或鞍鰭）用于單元存取晶體管，然而，掩埋字線柵極材料已經(jīng)從單鎢層變?yōu)槎嗑Ч?鎢雙功函數(shù)層，以有效控制柵極泄漏。在這種情況下，具有較低功函數(shù)的多晶硅上柵極提高了 GIDL 電場(chǎng) (30%) ，增大了擴(kuò)散電阻。此外，美光使用純 TiN 柵極進(jìn)行 D1z 和 D1α 代單元集成。雖然圓柱型結(jié)構(gòu)是DRAM單元電容器集成的主流，但SK海力士（D1y和D1z）和三星（D1z）采用了準(zhǔn)柱狀電容器（或單面柱狀電容器）結(jié)構(gòu)，其中單元電容器僅外表面呈圓柱狀，這導(dǎo)致單元電容比上一代更小。幾年后，DDR5、GDDR7、LPDDR6 和 HBM3 產(chǎn)品將在市場(chǎng)上普及。

對(duì)于 10nm 級(jí)及以上的 DRAM 單元設(shè)計(jì)，應(yīng)在其中加入更多創(chuàng)新的工藝、材料和電路技術(shù)，包括更高 NA EUV、4F2、1T DRAM、柱狀電容器、超薄 high-k 電容器介質(zhì)和低 -k ILD/IMD 材料（圖 3）。

圖 3. 從 30nm 級(jí)到 10nm 級(jí)的 DRAM 單元設(shè)計(jì)和技術(shù)趨勢(shì)。需要更多創(chuàng)新技術(shù)來(lái)滿足單元電容、尺寸縮小和提升速度的要求。

圖 4 顯示了主要廠商的 DRAM 設(shè)計(jì)規(guī)則 (D/R) 趨勢(shì)。如果他們保持 6F2 DRAM 單元設(shè)計(jì)以及1T+1C 結(jié)構(gòu)，2027 年或 2028 年 10nm D/R 將是DRAM 的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。DRAM 單元微縮將面臨若干挑戰(zhàn)，例如 3D DRAM、減少row hammer（電路）、低功耗設(shè)計(jì)、刷新降低和管理刷新時(shí)間、低延遲、新功函數(shù)材料、HKMG 晶體管和片上 ECC。最受歡迎的功能將是“速度”和“感應(yīng)裕量（sensing margin）”。三星用于 DDR5 和 GDDR6 的 HKMG 外圍晶體管技術(shù)就是增加 BL 感應(yīng)裕量和速度的一個(gè)例子。

圖 4. DRAM D/R 趨勢(shì)顯示 6F2 單元設(shè)計(jì)的局限性。2027 年或 2028 年，10nm D/R 將是 6F2 DRAM 的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3D NAND 技術(shù)、趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

主要的 NAND 芯片制造商正在競(jìng)相增加垂直 3D NAND 門的數(shù)量。他們已經(jīng)推出了最新的 1yyL 3D NAND 設(shè)備。三星176L（V7）、鎧俠/西部數(shù)據(jù) 162L（BiCS6）、美光176L（2nd CTF）、SK海力士176L（V7）用于1yyL產(chǎn)品，2021年和2022年長(zhǎng)江存儲(chǔ)128L Xtacking TLC和QLC產(chǎn)品已經(jīng)上市（圖 5）。MXIC 還宣布了他們的第一個(gè) 48L 3D NAND 原型，將于 2022 年底或 2023 年初量產(chǎn)。

圖 5. TechInsights 的 3D NAND 路線圖顯示了 2021 年和 2022 年上市的 112L/128L 和 162L/176L 產(chǎn)品。用于 SCM 或fast-NAND 應(yīng)用的Z-NAND、XL-FLASH 和 XPoint 已添加到路線圖中。

目前已經(jīng)采用了一些創(chuàng)新的技術(shù)和設(shè)計(jì)，例如三層結(jié)構(gòu)、CuA/COP/PUC技術(shù)和具有H-bonding的Xtacking裸片。此外，具有3D NAND單元架構(gòu)和多平面芯片設(shè)計(jì)的三星Z-NAND和鎧俠XL-FLASH等低延遲（高速）NAND產(chǎn)品已成功商業(yè)化。對(duì)于 500 層以上的 NAND 產(chǎn)品，我們不僅要考慮多堆棧或裸片堆棧集成，還要考慮 3D 封裝解決方案。

自 2018 年以來(lái)，全球大多數(shù)智能手機(jī)都使用 3D NAND 存儲(chǔ)組件而非 2D NAND 芯片。迄今為止，已經(jīng)提出并生產(chǎn)了七種不同的 3D NAND 原型：三星的 V-NAND、鎧俠（舊東芝存儲(chǔ)器）和西部數(shù)據(jù)的 BiCS、英特爾/美光的 FG CuA、美光的 CTF CuA（128L~）、P – SK海力士 的 BiCS (~72/76L)、SK海力士的 4D PUC (96L~) 和 長(zhǎng)江存儲(chǔ)的 Xtacking（圖 6 和圖 7）。

圖 6. 七種不同的 3D NAND 原型已被提出并成功生產(chǎn)：V-NAND、BiCS、FG CuA、CTF CuA、P-BiCS、4D PUC 和 Xtacking。

圖 7. 五個(gè)具有代表性的 SEM 圖像，顯示了每個(gè) 3D NAND 單元陣列架構(gòu)的概念。CuA、PUC 和 Xtacking 原型在 NAND 單元陣列下具有 CMOS 外圍電路。

三星 V-NAND (TCAT) 3D NAND 產(chǎn)品專門應(yīng)用了高達(dá) 128L (V6) 的單 VC 蝕刻工藝，而所有其他 3D NAND 產(chǎn)品均采用多層（例如 Intel 144L 為三層）串集成（string integration）。它們都使用 20nm 或 19nm BL 半間距，這意味著基于 ArF-i 和 DPT 的光刻是 3D NAND 的主要圖案化技術(shù)。

具有更高可靠性和低溫/高溫操作的特定應(yīng)用仍然需要 2D NAND 晶圓和 SLC/MLC 操作，而不是 TLC 或 QLC 芯片。例如：MCU、醫(yī)療、機(jī)器人、電視/玩具、游戲控制器、可穿戴設(shè)備、安全攝像頭、智能音箱、IoT、AI、ML、打印機(jī)、機(jī)頂盒和航空航天都需要2D NAND產(chǎn)品?，F(xiàn)在，3D NAND 產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心、云、服務(wù)器、SSD、PC、移動(dòng)和智能手機(jī)中非常流行。

隨著堆疊柵極數(shù)量的增加，垂直 NAND 串的高度也會(huì)增加。例如，新發(fā)明的 176L 產(chǎn)品顯示距source plate 12μm 的高度（圖 8）。QLC 芯片的位成本持續(xù)下降，位密度增加到 15Gb/mm2。每個(gè) NAND 串的門總數(shù)也增加到 200 個(gè)或更多。

圖 8. 3D 垂直 NAND 串高度的比較。新發(fā)明的 176L 產(chǎn)品距source plate的高度為 12μm。

英特爾 144 層 NAND 串第一次在源和位線之間由三層（上層、中層、下層，每層48L）組成，并為 TLC 和 QLC 器件保留了 FG CuA 結(jié)構(gòu)。每個(gè)deck都可以分配給 QLC 或 SLC 塊的任意組合，以充分受益于英特爾在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的新的block-by-deck概念。

我們還不能預(yù)測(cè)未來(lái) 3D NAND 技術(shù)的所有詳細(xì)挑戰(zhàn)，但其中一些挑戰(zhàn)是 HAR、層應(yīng)力控制、晶圓翹曲、工藝均勻性、嚴(yán)格控制 ALD/ALE、吞吐量、板對(duì)板錯(cuò)位、良率控制、 缺陷、NAND 串電流、解碼器 TR 可靠性、PGM/ERS 速度、保留、電子遷移、泄漏和干擾、3D 封裝解決方案等。PLC 3D NAND 產(chǎn)品可能會(huì)在幾年內(nèi)推出。

新興內(nèi)存技術(shù)、趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

圖 9. TechInsights 的新興內(nèi)存路線圖，包括 STT-MRAM、PCRAM/XPoint、ReRAM/CBRAM、FeRAM 和嵌入式 DRAM/FLASH 內(nèi)存。

幾十年來(lái)，我們一直將 MRAM（或 STT-MRAM）、PCRAM、ReRAM 和 FeRAM 設(shè)備和技術(shù)視為新興內(nèi)存原型。但是，它們將是一種用于嵌入式應(yīng)用的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，而不是分立的新興存儲(chǔ)設(shè)備。未來(lái)的新興存儲(chǔ)器設(shè)備，如 SOT MRAM、FTJ、單極或雙極絲狀 OxRAM、CBRAM、大分子存儲(chǔ)器、莫特存儲(chǔ)器或 DNA 存儲(chǔ)可能被稱為新興存儲(chǔ)器。在這里，我們?nèi)匀粚?MRAM、XPoint、ReRAM (CBRAM) 和 FeRAM視為新興存儲(chǔ)設(shè)備。他們正在擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，例如 CPU/APU 高速緩存 (STT-MRAM)、AI 和內(nèi)存計(jì)算 (PCRAM)、模擬 IC (ReRAM、憶阻器)、外部開關(guān) (FeRAM) 和高密度 SCM (XPoint Memory)。

在新興存儲(chǔ)器件中，STT-MRAM 技術(shù)已被主要廠商/開發(fā)商積極研究和開發(fā)，例如 Everspin Technologies、GlobalFoundries、Avalanche Technologies、索尼、美光、IMEC、CEA-LETI、應(yīng)用材料、三星、富士通、IBM、臺(tái)積電和自旋轉(zhuǎn)移技術(shù) (STT)。英特爾、美光和 SK 海力士正專注于具有 PCM/OTS 單元結(jié)構(gòu)的 XPoint 內(nèi)存。美光于 2021 年退出 XPoint 內(nèi)存（圖 9）。

迄今為止，我們已經(jīng)從市場(chǎng)上找到了Everspin 第三代獨(dú)立 256Mb STT-MRAM (pMTJ) 和 1Gb STT-MRAM、三星和索尼的 28nm eSTT MRAM (pMTJ)、具有 40nm 節(jié)點(diǎn)的 Avalanche eSTT MRAM (pMTJ) 和 Dialog Semiconductor（舊 Adesto Technologies）第二代 ReRAM (CBRAM )產(chǎn)品。臺(tái)積電宣布了 2nm eMRAM-F 產(chǎn)品路線圖，以取代用于數(shù)據(jù)/代碼存儲(chǔ)和配置存儲(chǔ)器應(yīng)用的eFLASH。

迄今為止，Ambiq Apollo Blue MCU的所有代均使用臺(tái)積電制造的芯片。所有 Apollo Blue MCU 系列均獲臺(tái)積電支持，提供eFLASH 或 eMRAM 芯片。Apollo 1 至 Apollo 3 具有 2D NOR eFLASH ESF3 單元，分柵嵌入式 SuperFlash。它們由EG（擦除門）、CG（控制門）、FG（浮動(dòng)門）和WL SG（選擇門）四個(gè)門組成。另一方面，Apollo4 在 M3 和 M4 之間有一個(gè)簡(jiǎn)單的 eSTT-MRAM 單元結(jié)構(gòu)。與 Apollo3 相比，外圍柵極和 eMemory 柵間距有所減??；外圍柵極由 170nm 降至 120nm，eMRAM 陣列由 230nm 降至 110nm。Ambiq 由臺(tái)積電制造的 22ULL 工藝的低功耗 Apollo4 MCU 可與 GreenWave 的 AI 處理器采用的 GlobalFoundries 的 eMRAM 22nm FDSOI 相媲美。臺(tái)積電 eMRAM 技術(shù)正在應(yīng)用于 16nm FinFET 平臺(tái)。Everspin、三星和臺(tái)積電使用 HKMG 柵極工藝，僅Avalanche 除外。三星在采用 SOI 晶圓的 FDS 工藝方面是獨(dú)一無(wú)二的。Avalanche MRAM 柵極具有帶有 L 形隔離物的舊多晶硅柵極，而所有其他公司都使用高 k 柵極氧化物，例如 SiON 上的 HfO。特別是 Everspin 在 NMOS 高 k 柵極電介質(zhì)中采用了 La。Everspin 和三星為 MRAM 柵極結(jié)構(gòu)應(yīng)用了先柵極 HKMG 工藝，而臺(tái)積電采用了后柵極 HKMG 工藝。

Everspin 在市場(chǎng)上發(fā)布了四種不同的 MRAM 產(chǎn)品，包括 Toggle-mode MRAM（第 1 代，Chandler fab.）和 STTMRAM（第 2~4 代，GF fab.）。在 STT-MRAM 產(chǎn)品中，第 2 代 STT-MRAM 器件采用基于 MgO 的面內(nèi) MTJ 結(jié)構(gòu)，而第 3 代和第 4 代 STT-MRAM 器件采用垂直 MTJ (pMTJ) 技術(shù)。Avalanche pMTJ STT-MRAM 單元設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)顯示 40nm p-MTJ 層，單元尺寸為 0.032 μm2，MRAM 層位于 M1 源極線下方，位于 Contact-1 和 Contact-2 之間。例如，三星與索尼共同展示了用于華為 GT2 智能手表 GPS 控制器的 28nm pMTJ 8Mb 嵌入式 STT-MRAM 結(jié)構(gòu)。它們是基于 MgO MTJ 的器件。

富士通 8Mb ReRAM 器件是迄今為止世界上密度最大的獨(dú)立量產(chǎn) ReRAM 產(chǎn)品。富士通采用了新的 45nm CMOS 工藝，與之前的 180nm 4Mb ReRAM 產(chǎn)品相比，芯片尺寸更小，存儲(chǔ)密度更高。

英特爾和美光的第一代 XPoint 內(nèi)存芯片具有 128Gb (16GB) 芯片密度和兩層的 PCM/OTS 結(jié)構(gòu)。它已用于許多英特爾 SSD 產(chǎn)品，例如 Optane、800P、900P、DC P4800X、H10/H20 和 DCPMM。對(duì)于存儲(chǔ)元件，已經(jīng)提出和開發(fā)了許多候選者，例如相變材料、電阻氧化物單元、導(dǎo)電橋單元和MRAM單元。其中，第一代XPoint存儲(chǔ)器采用了硫?qū)傧嘧儾牧?，GST（Ge-Sb-Te）合金層。

一種用于 BL 和 WL 光刻/蝕刻工藝的 20nm 雙圖案技術(shù) (DPT)，實(shí)際上是2F2 單元被設(shè)計(jì)出。近日，英特爾發(fā)布了第二代 XPoint 內(nèi)存，例如市面上的傲騰 DC P5800X SSD 產(chǎn)品。

4 層 PCM/OTS 層結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是 1F2，集成在 M4 層上，形成 WL/BL/WL/BL/WL 多層。器件中雙向閾值開關(guān)選擇器 (OTS) 與PCM 層共同集成，該器件具有與之前的一代 XPoint 相同的元素（圖 10）。

圖 10. PCM/XPoint 歷史顯示 2L第一代和4L第二代英特爾的 XPoint 內(nèi)存產(chǎn)品。

新興的內(nèi)存設(shè)備可以取代 eFLASH 或 SCM，因?yàn)樗鼈兙哂懈咝阅埽ǜ咚?、耐用和記憶力）和能源效率。然而，最重要的挑?zhàn)之一將是降低比特成本，或者換句話說，如何增加陣列單元密度。到目前為止，沒有一個(gè)獨(dú)立的 STT-MRAM 裸片（256Mb 或 1Gb）和 XPoint 裸片（128Gb 或 256Gb）可與 3D NAND 裸片（QLC NAND 裸片為 1Tb 或 1.33Tb）相媲美。此外，大多數(shù)新興存儲(chǔ)器件使用一種或多種新材料，例如 HfO、HZO、GST 基硫族化合物和 Ir/Ta 基金屬電極，這在包括圖案形成/蝕刻、沉積和退火優(yōu)化在內(nèi)的工藝集成中造成了一些困難。

審核編輯 ：李倩