Flash技术的现在与未来

存储器 中国闪存市场 Helan 2010-09-23 11:19
存储器在我们的生活中,应用已经十分广泛,旺宏电子谢光宇处长在演讲一开始就指出,包括手机、笔记型计算机和USB、MP3播放器、可戴式Gadget、电子宠物等,都使用了20GB到100GB不等的存储器,存储器应用无所不在。
快闪存储器技术和市场概况
晶体管在1947年由贝尔实验室发明,70年发展下来,最大的特色就是愈来愈小。IC的演化也是,1950年代IC问世时,一颗大大的MOS元件,只有几颗电容、电阻和电感。1979年英特尔8086在16平方厘米有29,000颗晶体管,采用3微米技术,4.77-10 MHz运算。2008年英特尔的Core i7已进展到45奈米技术,在263平方厘米有7.31亿颗晶体管。Gordon Moore在1965年提出著名的摩尔定律:每平方英尺的晶体管数目,在每18个月将会倍数成长。
旺宏电子,处长,谢光宇。
将时光退回至1970年代,若要制造一个iPod需花费25亿美元,且晶体管的数量,需要当时全世界晶体管总产量的10倍才能满足,而全球晶体管的产量直到1973年,才终于足够支持1个iPod的产品。
半导体存储器家族包括挥发性的RAM和非挥发性的NVM,其中NVM技术以浮动闸(Floating Gate)技术为主流,正在发展的技术为SONOS-Type,未来更新的技术则为Emerging和ROM & Fuse。
NOR Flash的存储器架构为并连模式,可解读为一栋透天的房子,读取快、随机取样快。NAND Flash的存储器架构为串连模式,可解读为高层公寓,好处是可以住很多人,缺点是大家都往门口跑,速度就会很慢。应用上,NAND Flash以资料储存为主,NOR Flash则以码(Code)为主。市场趋势方面,随著各种消费性电子规模愈来愈大,NAND Flash大致呈现稳定成长,NOR Flash的需求则缓步减少。
技术方面,NAND Flash技术,国际大厂包括英特尔美光、三星、Toshiba、Hynix等,竞逐激烈,2D平面存储器平均每12~15个月,技术即需跨越一个世代。
快闪存储器技术挑战
以主流技术Floating Gate Cell而言,面临的问题包括底层氧化层的空间受限问题、耦合干扰问题、很难缩小尺寸(Scaling)(制造上的问题)、在小Cell尺寸中具备较少的电荷。
进一步说明,底层氧化层太薄,会产生量子效应的问题,因此要有必要的空间,不能小于8nm。耦合干扰则会让资料储存分布出问题,进而影响可靠度。在2个Floating Gate之间若空间太窄,间隙间的控制闸金属很难填入,因此最小空间不能低于40nm。
因此,针对Floating Gate技术的问题,干扰问题的可能解决方案为ECC和控制器。地理上的限制可能可以电荷捕捉(charge trapping;CT)装置解决。Floating Gate之间太窄的问题可能可以3D (CT)阵列来解决,以堆叠的方式增加密度。MLC电荷数太少可能可藉由3D (CT)阵列来解决或使用新的记忆装置。
Charge trapping为聚合矽(Poly-Si)、氧化层(Oxide)、氮化物(Nitride)、氧化层(Oxide)、矽基板(Si Substrate)的堆叠,称作SONOS。SONOS为平面架构,1967年即已发明,后续原本并没有受到重视,直到最近才又被重新捡拾。SONOS装置及问题为:电荷被捕捉到SiN,离开(De-trapping)十分缓慢,必须使用消去电荷或导入电洞的方式,并不容易,需要很薄的氧化层。
另一种方法是设障碍或高K/MG,三星使用BE-SONOS方法,产生量子井,加电压和不加电压让电洞进入或出去。旺宏采用TANOS方法,后来引用三星的方式并加以进化,氧化层采用Al2O3,改良后产品表现更佳。
尺寸较大时可以储存较多的电荷,愈小愈少,到现在要求极小时,储存电子数减少,会产生无法判别几颗的状况,机制就产生问题。CT 3D是一个解决方法,包括三星、旺宏和Toshiba分别在2006和2007年提出相关技术,Toshiba的BiCS技术是一个成本相当低的方案。例如若以8层堆叠,采用3D Stacked NAND需要67层光罩,BiCS则仅需要28层。
快闪存储器新方向:3D VG-NAND Flash、PCRAM和ReRAM
主要的3D技术厂家包括三星的TCAT、VSAT技术,Toshiba的P-BiCS技术和旺宏的VG(垂直闸Vertical Gate)技术。3D技术所面临的挑战为尺寸问题,其中除了VG技术外的其它3种技术都只能做到约50奈米,VG可以做到2x奈米。
相位改变存储器PCM (Phase Change Memory)需要足够的高程序化电流,解决方法为减低RESET电流,例如减少体积、接触面积、更新热源结构。或强化驱动器能力以加大电流。
ReRAM(Resistive RAM)则以加减电压的方式改变电阻,旺宏采用金属氧化物方式。ReRAM可以改变尺寸、耐久性和持续性,和PcRAM一样,都是具潜力的技术。而3D技术则肯定成为下一代的重要快闪存储器技术发展方向。

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