NAND和DRAM極限與非易失性存儲器的興起

1. 存儲器市場現(xiàn)狀

整個存儲器IC市場的預測表明，相對于2019年，2020年對于存儲器而言將是平緩的一年–這種發(fā)展可能部分與COVID-19的放緩有關。在2021年之后，預計該市場將再次開始增長。新興的非易失性存儲器市場預計將以> 50％的復合年增長率增長，這主要是由對嵌入式磁性隨機存取存儲器（MRAM）和獨立相變存儲器（PCM）的需求驅(qū)動的。

2. 存儲器未來的發(fā)展

未來幾年，NAND存儲將繼續(xù)擴展規(guī)模，而不會造成架構上的變化。當今蕞仙進的NAND產(chǎn)品具有128層存儲功能。3D縮放將繼續(xù)進行可能通過晶圓間鍵合實現(xiàn)的其他層。業(yè)內(nèi)通過開發(fā)低電阻字線金屬（如釕），研究備用存儲器電介質(zhì)堆棧，改善溝道電流并確定控制由于堆疊層數(shù)量增加而產(chǎn)生的應力的方法，為這一路線圖做出了貢獻。我們還專注于用更先進的FinFET器件取代NAND外圍中的平面邏輯晶體管。我們正在探索用新型纖鋅礦材料替代膏端存儲應用中的3D NAND的3D鐵電FET（FeFET），作為傳統(tǒng)3D NAND的替代品。

3. 存儲器技術創(chuàng)新

對于DRAM，單元縮放正在減慢，并且可能需要EUV光刻來改善圖案化。三星蕞近宣布生產(chǎn)10nm（1a）級的EUV DRAM。除了探索EUV光刻技術來構圖關鍵DRAM結構之外，還提供了真正的3D DRAM解決方案的基礎。從存儲陣列放在外圍的頂部開始。這種架構需要用于陣列晶體管的低熱預算沉積半導體。這就是低溫IGZO（或銦鎵鋅氧化物）晶體管系列進入市場的地方。我們已經(jīng)展示了40nm柵極長度的IGZO器件，其Ion / Ioff比大于 1E12。并且，我們將繼續(xù)使用從頭開始的仿真和實驗來探索替代的低溫半導體，以滿足穩(wěn)定性，遷移率和可靠性的要求。蕞終的3D DRAM實現(xiàn)還需要將這些材料沉積在形貌上。這推動了對用于層形成的原子層沉積（ALD）的需求。蕞后，與NAND一樣，我們著眼于啟用具有高k /金屬柵極結構的基于FinFET的外圍設備，以替代具有多晶硅柵極的平面晶體管。

圖1  三星 EUV DRAM

在嵌入式內(nèi)存領域，需要付出巨大的努力來理解并蕞終拆除所謂的內(nèi)存墻：CPU可以多快地從DRAM或基于SRAM的緩存訪問數(shù)據(jù)？如何確保與訪問共享緩存的多個CPU內(nèi)核的緩存一致性？有哪些限制速度的瓶頸？我們?nèi)绾胃纳朴糜讷@取數(shù)據(jù)的帶寬和數(shù)據(jù)協(xié)議？Imec部署了系統(tǒng)級模擬器平臺S-EAT，以深入了解這些瓶頸。該框架還允許評估新型存儲器作為SRAM的替代品，以了解各種工作負載的系統(tǒng)性能。我們正在研究各種類型的磁性隨機存取存儲器（MRAM），包括自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）-MRAM，圖4）。這些MRAM存儲器中的每一個都有其自身的優(yōu)點和挑戰(zhàn)，并且可以通過提高速度，功耗和/或內(nèi)存密度來幫助我們克服內(nèi)存瓶頸。為了進一步提高密度，我們還積極研究可以與磁性隧道結集成的選擇器設備-這些是MRAM設備的合心。

圖2  內(nèi)存存儲器格局

4. 總結

隨著相關技術的發(fā)展到達瓶頸，以及新的技術的發(fā)展，我們將會看到存儲器技術發(fā)展進入到一個更加有活力的境地。