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爱光暨
5 years ago
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1 后闪存时代 : 非易失存储芯片研究进展方粮国防科技大学计算机学院

2 Contents 一磁盘二闪存三阻变存储四相变存储五磁性存储六铁电存储七总结 2

3 一磁盘 1 若干新技术的采用, 将不断提升磁盘的性能, 特别是容量 PMR SMR HAMR 叠瓦式磁记录技术, 25% 存储密度超过 2Tb/ 盘片 3

4 一磁盘 2 磁盘存储密度的增长趋势图 1 增长趋势变缓 ; 2PMR/SMR/HAMR 之后, 无新技术 ASTC 预计 2017 年开始, 机械磁盘的存储密度将保持 30% 的年复合增长率, 最终在 2025 年左右达到每平方英寸 10Tb, 由此实现容量为 100TB 的磁盘 4

5 二闪存 1 存储机理 1 闪存的存储单元是场效应晶体管, 是一种受电压控制的三端器件, 由源极漏极和栅极, 以及衬底组成 2 擦和写均是基于隧道效应, 电流穿过浮栅与硅基层之间的绝缘层, 对浮栅进行充电 ( 写数据 ) 或放电 ( 擦除数据 ) 闪存单元闪存阵列 5

6 二闪存 2 闪存应用 U 盘 SD 卡 CF 卡 SSD 混合盘 PCIe 阵列卡 6

7 二闪存 3 SSD 特性目前的主流存储介质 (SLC/MLC/TLC) 安全可靠并发传输均衡写入 SATA3.0 > 500MB/s 2016 年,LSI:PCI-E 3.0 x16 SSD, Nytro XP7200 四块 Nytro XM1440 M.2 SSD, 功耗 26W 总容量有 :3.8TB 7.7TB 峰值持续读写性能 10GB/s 3.6GB/s 持续读写速度 IOPS IOPS SSD pk HDD, 价格是关键 7

8 二闪存 4 SSD 发展 SSD 用于电脑开机加速, 容量一般为 128GB 至 512GB 2016 年美国闪存峰会上,Seagate:60TB SAS SSD, 容量最大一个主控,1000+ 闪存晶粒, 使用了 ONFi 桥接芯片, 映射扩大主控的闪存通道采用 Micron 3D TLC 立体堆叠闪存两个 SAS 12Gbps 接口, 持续读写速度 1.5GB/s 1GB/s, 随机读取 IOPS, 随机写入未公布, 峰值功耗 15W 8

9 5 SSD 容量预测二闪存 QLC+3D, 助长 SSD 的容量 : 2015:SSD 16TB/HDD 10TB 2016:SSD 32TB 2017:SSD 64TB 2018:SSD 128TB 2020:SSD??? /HDD 40TB 2025:SSD??? /HDD 100TB???:NAND 工艺可能终止在 2020 年的 10nm? 9

10 三阻变存储 1 阻变存储器原理 RRAM 材料的电阻在外加电场作用下, 可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换它具有在 32nm 节点及以下取代现有主流 Flash 存储器的潜力, 成为目前新型存储器的一个重要研究方向 TiN/ZnO/Pt 的典型双极型器件切换特性 : (a) 第 10 次 100 次 500 次开关的 I V 曲线, 电流上限为 5mA (b)500 次开关过程中高电阻与低电阻的变化 Basic Structuore of RRAM array 10

11 三阻变存储 2 阻变机制主要可以分成三种机制 : 电化学金属化机制 (ECM); 价电改变机制 (VCM); 热化学机制 (TCM) 一般认为, 单极型阻变效应与 TCM 有关, 双极型阻变效应与 ECM 或 VCM 相关 ECM 的一个实例如图所示阻变现象的产生通常与纳米尺度下的导电细丝的形成有关, 这些导电细丝的产生机制通常与离子迁移或氧化还原反应相关, 尽管其物理机制的细节还不是非常清楚, 并仍在研究当中电化学金属化记忆效应 (ECM) 示例 MIM 结构中细丝导通示意图, 红色细丝代表 ON 状态施加适当电压, 金属电极间可形成和消除导电细丝电压撤销后, 状态可保存 11

12 3 阻变存储器的展望三阻变存储 1 在金属氧化物中观察到了可反转的电致电阻开关 (resistance switching) 行为, 这种行为可能应用于非易失信息存储, 因此得到了广泛关注 2 具有电阻转变效应的材料很多, 但是具体的电阻转变机制还不是很清楚, 深入研究电阻转变机制能为 RRAM 器件的设计提供理论指导 3 由于材料和样品结构的多样性和观察到的氧化物电致电阻变换效应显现出多层次的行为, 这为分析驱动机制带来了复杂性 12

13 三阻变存储 4 提出了多种假设来解释氧化物电阻变换效应, 而最广泛使用的是的氧空位扩散 ( 负离子迁移 ) 形成导电细丝的模型, 而导电细丝的形成和破坏对应于电阻变换效应的开与关 5 分析大量实验结果表明, 氧化物电致电阻变换存在着以下重要特征 : a. 不依赖电场极性 b. 电致电阻变换下锰氧化物材料的电阻下降 c. 材料离子化学态发生变化这些实验结果展示的共有特征说明, 氧化物电致电阻变换的机制应该不是电场下氧空位迁移形成导电细丝模型所描述的认真分析和可调整超导磁学性质等结果都表明, 应该考虑载流子注入效应 13

14 三阻变存储 6 虽然彻底理解氧化物电致电阻变换行为仍然需要进一步的研究工作, 但载流子注入与自束缚载流子观点描绘出了相当合理的图像, 来理解观察到的大量不同研究组发表的多种多样氧化物电致电阻变换行为实验结果 7 综合来看, 外加电场下氧化物的电阻变换与引起的相关现象可能会开辟出一个奇异的全新研究与应用领域 14

15 四相变存储 1 相变存储机理 PRAM 利用特殊材料 (GST) 在不同相间的电阻差异进行工作的在非晶态下,GST 材料具有较高的电阻率非晶层的电阻通常可超过 1 兆欧在晶态下,GST 材料具有较低的电阻率晶态的电阻范围通常从 1 千欧到 10 千欧由于要实现相变, 需要把材料加热到临界状态, 温度较高, 因此, 散热问题是限制相变存储集成度提高的瓶颈 PRAM 存储元件的横截面示意图写入操作过程中的模拟温度曲线图 15

16 四相变存储 2 相变存储进展 PCM 的速度可以比闪存快 70 倍以上相变存储技术需要对芯片内特殊的材料进行电加热材料中每个单位的降温方式可用于决定芯片中保存的数据 : 1 在逐步降温时, 原子将会呈晶格式排列 ; 2 在迅速降温时, 原子排列将杂乱无章 2016 年 5 月,IBM 发布了每个存储单元可以保存三位数据的相变存储技术可预期的是, 相变存储器能让 PC 和手机瞬间启动让应用快速加载当然,IT 圈除了比技术, 还要比策略 16

17 四相变存储 3 趋势 - 超晶格相变薄膜材料专利 : 一种用于相变存储器的 Si/Sb 类超晶格相变薄膜材料 Si/Sb 类超晶格相变薄膜材料为多层膜结构, 多层膜结构中 Si 薄膜层和 Sb 薄膜层交替排列本发明的 Si/Sb 类超晶格相变薄膜材料的 RESET 电压比相同电压脉冲下的 Ge2Sb2Te5 薄膜的 RESET 电压低 47% 以上, 说明 Si/Sb 类超晶格相变薄膜材料具有更低的功耗 17

18 四相变存储 4 TRAM Ge 原子位置的改变源于电子和空穴的注入无熔融过程, 能耗降低速度变快 18

19 四相变存储 4 TRAM a) 置位脉冲时间 ~ 电压 b) 电阻 ~ 复位电流 c) 电阻 ~ 置位复位循环 19

五磁性存储 1 工作原理自旋转移矩磁存储器 (STT-MRAM), 具有 SRAM 的高速读取写入能力, 以及 DRAM 的高集成度, 而且具有接近无限次读写等优点, 使其成为非易失存储领域有竞争力的候选者第一代磁存储器的原理基于场致磁变 (FIMS) 效应基于该原理的器件已经于 2006 年实现了商品化, 并在航空航天国防原子能等各个领域发挥了重要作用然而, 基于 FIMS 的

20 五磁性存储 1 工作原理自旋转移矩磁存储器 (STT-MRAM), 具有 SRAM 的高速读取写入能力, 以及 DRAM 的高集成度, 而且具有接近无限次读写等优点, 使其成为非易失存储领域有竞争力的候选者第一代磁存储器的原理基于场致磁变 (FIMS) 效应基于该原理的器件已经于 2006 年实现了商品化, 并在航空航天国防原子能等各个领域发挥了重要作用然而, 基于 FIMS 的 MRAM 在应用上有很大的限制由于产生磁场需要两路比较大的电流 (>10mA), 这导致了编程过程功耗过大, 同时低密度不与 CMOS 工艺兼容也成为限制进一步应用的重要方面 STT-Spin Transfer Torque 的方案有助于克服 FIMS 中遇到的问题, 并用于第二代磁存储器技术磁存储器芯片 STT 效应所需电流很小 (65nm 节点为 <150uA), 同时大大简化了与 CMOS 电路的集成难度 20

21 五磁性存储 2 单元结构 FIMS 密度受限 STT 工作机理清楚, 前景看好突破 : 有待材料突破, 提高 STT 效应 21

22 3 磁存储器发展趋势五磁性存储 STT-MRAM 已经开始实现商用化美国 Everspin Technologies 公司就已经向市场投放了产品但目前容量只有 64Mbit, 要扩大市场, 需要实现大容量化 STT-MRAM 也面临许多问题 : STT-MRAM 设计尚缺乏准确集约的包含温度偏置电压尺寸等相关器件参数的宏模型, 也没有一个高可靠的 EDA 工具的支持, 成为阻碍大容量 STT-MRAM 大批量工业生产的重要因素同时, 另一个亟待解决的问题是如何将磁隧道结 (MTJ) 的制造与 CMOS 工艺完美结合, 并不断随着工艺进步而快速调整 22

23 六铁电存储 1 工作原理铁电效应用于数据存储铁电材料由于其晶格的非完全对称性, 具有两个稳定的自发极化状态, 可被感知, 可通过外加电场改变, 是理想的存储介质 FRAM 是一种利用铁电材料的铁电效应实现存储的非易失性存储器, 在不同极性的外加电压偏置下, 铁电晶体材料的中心原子会在两个不同的稳态之间转变, 从而实现数据存储功能在不同极性的外加电压偏置下, 铁电晶体材料的中心原子会在两个不同的稳态之间转变 23

的另一个优点是经久耐用, 可以改变极化状态多达 10 12 次而无疲劳现象由于薄膜技术的进展,

24 2 存储器单元六铁电存储运用外部电场改变铁电极化状态的过程, 即铁电开关, 在本质上是很快的, 因此可用于高速读取和写入存储器操作, 典型的读 / 写时间在纳秒范围 FRAM 的另一个优点是经久耐用, 可以改变极化状态多达次而无疲劳现象由于薄膜技术的进展, 电源电压已连续下降, 可确保低功耗操作 FRAM 被认为是在高速高耐用性低功耗应用的理想解决方案 FRAM 单元示意图 24

25 六铁电存储 2 存储器单元 1T1C 2T2C 存储单元 FRAM 单元示意图最初的铁电存储器采用两晶体管 / 两电容器 (2T/2C) 的结构, 导致元件体积相对过大新的单晶体管 / 单电容器结构可以像 DRAM 一样, 使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考与现有的 2T/2C 结构相比, 它有效的把内存单元所需要的面积减少一半新的设计极大的提高了铁电存储器的效率, 降低了铁电存储器产品的生产成本 25

六铁电存储 2 存储器单元 FeFET 结构及原理铁电薄膜直接制备于 Si 衬底上边, 得到一个金属 - 铁电 - 半导体

但是直接制备于 Si 衬底上的 FeFET 的电荷长期保持性能很差为了提高界面质量, 一个最常用的策略是在铁电薄膜和 Si

衬底与铁电薄膜在高温下的界面反应和相互之间的扩散, 而且可以提供一个较高的势垒以降低从 Si 衬底到铁电薄膜的电荷注入,

26 六铁电存储 2 存储器单元 FeFET 结构及原理铁电薄膜直接制备于 Si 衬底上边, 得到一个金属 - 铁电 - 半导体 (MFS) 的器件结构, 传统 MOSFET 中的 SiO2 绝缘层被铁电层替代, 利用铁电极化的翻转来控制沟道电流的开关但是直接制备于 Si 衬底上的 FeFET 的电荷长期保持性能很差为了提高界面质量, 一个最常用的策略是在铁电薄膜和 Si 衬底之间插入一绝缘的缓冲层, 形成所谓的金属 - 铁电 - 绝缘 - 半导体 (MFIS) 结构这一绝缘层不仅能够阻止 Si 衬底与铁电薄膜在高温下的界面反应和相互之间的扩散, 而且可以提供一个较高的势垒以降低从 Si 衬底到铁电薄膜的电荷注入, 可以极大地提高器件的长期稳定可靠性 MFMFIS 进一步提高了性能 FeFET 单元示意图 (a)mfs; (b)mfis; (c)mfmfis 26

27 六铁电存储 3 FRAM 的改进传统的 FRAM 所面临的最大的挑战是它的破坏性读出, 因此,FRAM 只占据了存储市场份额中较小的一部分针对破坏性读出的问题, 在实验上实现了一种新颖的非易失性存储单元, 这种存储单元将硅纳米线和一种有机铁电聚合物 (PVDF-TrFE) 结合成一种新的铁电晶体管结构这种铁电晶体管随机存取存储器 (FTRAM) 除了可实现传统 FRAM 类似特性之外, 还展现了具有非破坏性读出的优点其原理是数据存储在铁电存储晶体管中, 而非通常 FRAM 那样存储在电容中 FTRAM 的三维示意图如图所示 Memory Transistor 的顶电极由 10nm 的铝和 90nm 的钛构成, 用于存储数据, 从而避免了破坏性读出 FTRAM 的三维结构示意图 :BL- 位线,WL- 字线, SL- 选择线,BG- 背栅 27

28 3. FRAM 的改进六铁电存储 PVDF-TrFE 聚合物首先溶解在 methyl-ethyl-ketone (MEK) 溶液中 ( 按体积计算的浓度为 2%), 然后磁控搅拌 2 小时将制备的溶液用 4000 rpm 的速率旋涂在衬底上, 得到 180nm 厚的均匀薄膜 ( 误差约为 5nm),SEM( 扫描电子显微镜 ) 图如图所示将薄膜加热至 140 度, 保持 1 小时后迅速冷却, 可增强 β- 相, 以消除平面方向的极化 PVDF-TrFE 聚合物薄膜的横切面 SEM 图, 厚度为 180nm 28

六铁电存储 4 通量全闭合畴结构 : 新研究或让铁电材料实现超高密度存储中科院在铁电材料中发现了通量全闭合畴结构以及由顺时针和逆时针闭合结构交替排列构成的大尺度周期性阵列, 并发现了闭合结构核心处存在巨大弯电效应, 有望使铁电材料实现超高密度信息存储功能新发现将把铁电薄膜器件的设计和研发推向一个新的高度,

29 六铁电存储 4 通量全闭合畴结构 : 新研究或让铁电材料实现超高密度存储中科院在铁电材料中发现了通量全闭合畴结构以及由顺时针和逆时针闭合结构交替排列构成的大尺度周期性阵列, 并发现了闭合结构核心处存在巨大弯电效应, 有望使铁电材料实现超高密度信息存储功能新发现将把铁电薄膜器件的设计和研发推向一个新的高度, 为探索基于铁电材料的高密度信息存储器提供了新途径在铁电材料中发现全闭合畴结构以及相关畴阵列, 在两方面体现了在前沿领域的突破其一是多铁材料的通量全闭合结构, 可能带来高密度的信息存储功能, 而且这种存储耗能低, 是解决超高集成度微电子芯片高耗能的潜在途径其二是这类结构是用具有亚埃分辨能力的像差校正电子显微术以直观的形式呈现出来的, 开拓了人们的视野, 是科学家认识自然规律的有力表征手段 29

30 5 HfO2 薄膜铁电性的发现, 为铁电存储的研发另辟蹊径铁电性机理尚不清楚 ; 与 CMOS 易于集成 ; 多值特性六铁电存储 HfO2 薄膜电滞回线 30

31 6 FRAM 的发展趋势六铁电存储 FRAM 由于具有非易失性低功耗多读写次数高存取速度高密度存储抗辐射与集成电路工艺兼容等突出优点, 被公认为是下一代最具潜力的存储器之一, 在计算机航空航天和军工等领域具有广阔的应用前景基于铁电晶体管为存储单元的铁电存储器, 还具有结构简单非破坏性读出遵循集成电路比例缩小原则的优点, 是一种理想的存储器, 未来发展前景广阔 HfO2 薄膜铁电性的发现, 为铁电存储的研发打开了一条新的通路多值铁电存储单元将成为发展趋势 31

七总结 1. 磁盘 : 采用新技术, 性能仍有发展 2. 闪存 :QLC+3D, 容量将增加, 但工艺极限也许在 10nm, 时间 2020 3.

32 七总结 1. 磁盘 : 采用新技术, 性能仍有发展 2. 闪存 :QLC+3D, 容量将增加, 但工艺极限也许在 10nm, 时间 RRAM PRAM TT-MRAM FRAM 期待突破 : RRAM: 机理探索 - 稳定性 - 可靠性 PRAM: 新材料 - 超晶格相变薄膜材料 - 降低热能 -TRAM STT-MRAM: 新材料 - 新结构 - 增加 STT FRAM: 新材料新结构新理论 4. 闪存之后, 谁将争雄?-- 螳螂捕蝉, 黄雀在后 32

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SB 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 塑料外壳 ( UL94 V-0), 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 C 范围 : 1.0 至 150μF 额定电压 : 700 至 1100 VC 偏差 :

SB 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 塑料外壳 ( UL94 V-0), 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 C 范围 : 1.0 至 150μF 额定电压 : 700 至 1100 VC 偏差 : SA 系列 / C-Link 产品特点引用标准 : IEC 61071 结构 : 金属化聚丙烯膜结构封装 : 聚酯胶带, 树脂填充电气特性工作温度 : - 40 至 + 85 C 范围 : 15 至 500μF 额定电压 : 500 至 1100 VC 偏差 : ± 5%, ± 10% 损耗因素 : 2 10-3 @100z 20±5 C 预期寿命 : 100,000 小时 @Un, 70