寡助的PRAM - SSD存储颗粒的现在与未来

　　寡助的PRAM

　　PRAM与DRAM、FeRAM在结构上还是有相似之处，它在平板电容部分做了结构型调整，采用了GST结晶体作为存储核心，并为结晶体配备了一个加热器。通过加热器对结晶体进行加热控制结晶体状态，在结晶体状态下呈现低电阻状态，加热后呈现非结晶体高电阻状态。由于是晶体结构，在断电以后也能够长时间保持晶体状态，以此表示存储“0”和“1”。这种结构的读写速度与目前DRAM相当，只是在微小化方面较DRAM有很大提高，理论上这种结晶体能够微小化到5nm，取代目前MLC NAND的可能性也较大。只是目前力挺PRAM只有三星和IBM等少数厂商，威廉希尔官方网站 发展潜力较MLC NAND还是有很大的弱势，目前它还停留在研发和试验阶段。

　　PRAM结构图

　　离我们最近的3D NAND

　　前面两种新存储结构在目前应用于大容量存储还不够成熟，东芝、三星与海力士决定通过新威廉希尔官方网站 将MLC NAND的寿命延长，毕竟在MLC NAND的资金投入太大。3D，无论在电影还是半导体行业都成了热门词汇，Ivy Bridge处理器让大家初步认识了3D晶体管，现在3D NAND威廉希尔官方网站 也浮出了水面。东芝、三星与海力士都提出了各自的3D结构，预计在未来三年投入市场，到时候存储颗粒将呈现“百家争鸣”的状态，现在我们以三星和东芝3D结构来先睹3D NAND的魅力。

　　3种3D构图

　　从3D构图可以看出，东芝P-BICS与三星TCAT结构看起来完全不一样，其实它们原理是一样的。首先通过交替淀积多个氧化层和氮化层的方法形成叠层，然后使用湿法蚀刻将叠层中的氮化硅（即氮化层）蚀刻掉，最后填充钨材料形成字线（Word line），位线（Bit line）及触点结构。

　　可能单就讲解让读者看起来较抽象，先看看结构图（制造流程图），前面我们讲过它是交替淀积多个氧化层和氮化层，图中的灰色部分就是氧化层（Oxide film），黄色就是氮化层（Nitride film），通过干法蚀刻挖出字线（Word line）。然后利用湿法蚀刻掉氮化层，在氮化层部位构建金属控制栅。那么它的存储单元在哪儿呢？就在金属栅周围，只是存储单元不再是多晶硅的浮栅，而是换成了氮化硅（SiN）。氮化硅因为结构特殊，电荷往往会自动积聚到它的晶格周围，有点像靠某种手段强制收集电荷的意思，所以三星将这种结构就命名为电荷捕获型栅级结构。从图中（三星3D结构单元图）我们可以看到在金属栅下面由Al2O3致密氧化物作为与存储单元的隔绝层，底部SiO2是电子穿越层，电子穿过SiO2进入氮化硅而积聚电荷。

　　制造流程图

　　看起来这种结构非常的完美，存储单元也很多，但实现起来却非常困难。首先是挖高深宽比的深沟槽问题，由于蚀刻问题，较难实现绝对垂直。其次是它内部结构有凹槽，问题就在于往内部生长致密氧化膜和填充金属栅，高深宽比沟槽必然造成底部与顶部的反应物质不均性，凹槽内的膜厚与表面凹槽内的膜厚肯定会不一样。而且高深宽比沟槽在填充金属栅的时候也容易出现“空洞”，这在半导体制造中绝对是个大忌。不过这种结构还有一个好处就是可以利用过时的制造工艺实现，如50nm工艺，而且生产线投入也没有20nm级工艺大。利用50nm制造出的产品在相同面积上的容量上完全可以赶上现在20nm MLC NAND容量，这样一来存储颗粒的成本也就降下来了。

　　三星3D结构单元图

　　大势所趋的ReRAM

　　相信PC硬件迷们都是知道，最初的机械硬盘体积很大，容量也只有几十兆。巨磁效应的发现让机械硬盘容量有了质的飞跃，而垂直记录威廉希尔官方网站 的应用让机械硬盘容量继续呈线性增长，目前消费级机械硬盘已经达到了4TB。SSD固态硬盘呢？有什么东西让它在容量上也像机械硬盘那样飞跃呢？

　　3D结构的ReRAM。

　　答案是忆阻器（Memristor）或者叫记忆式电阻。关于ReRAM的发展和应用，在《微型计算机》8月上的《记忆式电阻—颠覆PC架构的革命？》做了介绍，这里只补充一点它的基本原理、材质与相关大容量存储方案。忆阻器的结构非常简单，与二极管极为相似（只是材料为TiO2）。以TiO2为两个漂移区，一侧为正常成分的TiO2，一侧为少氧的TiO2（写为TiO2-x）。当从左侧通正电压，由于电场作用，右侧TiO2-x中的电子运动到TiO2中，然而TiO2-x中因为结构组成而缺少电子，电子向左侧运动后，右侧完全形成了耗尽区，相当于右侧成了一个断路，整个状态呈现高阻态。当右侧TiO2-x带正电，在电场的影响之下，TiO2中电子向TiO2-x运动，补充TiO2-x本来就缺少的电子，让整个状态呈现一种平衡状态，电阻也低。在断电情况下这种材料能够完全记忆各自的状态，且不需要晶格变化。通过控制电流的变化就可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能，而且电流流过就能立马实现读写，读写时间延迟很小。

　　研究人员利用这种材料研究出了网格交叉存储单元，就像围棋的交叉格，上下两集电路，交叉点利用忆阻器作为存储单元，每个交叉点就一个存储单元，只需要计算存储点的坐标位置就可以很快实现读写定位。存储单元没有了其他的元件，完全能够解决面积问题，而且能够微小化到10nm以下。由于这种结构简单，工艺难度也非常小，没有3D垂直的深沟槽，没有内部凹槽，但3D NAND的多层堆积也适用。所以ReRAM在芯片面积、容量方面、与工艺难度相对于3D NAND都有较大的优势，在大容量存储方面的应用前景无可限量。