3D NAND之后是什么?

马克·拉佩德斯著
平面NAND闪存已经走到了尽头，3D NAND闪存将成为无处不在的2D技术的继承者。

三星电子(Samsung Electronics)已经开始推出业内首款3D NAND设备，这是一款24级128g芯片。此外，美光和SK海力士很快将推出各自的3D NAND设备。但东芝和闪迪是唯一的坚持者，因为在2016年推出3D NAND设备之前，合资伙伴将尽可能长时间地扩展平面NAND。

不过，经过多年的研发，3D NAND时代终于到来了。但在庆祝的同时，业界继续狂热地研究3D nand电阻RAM (ReRAM)可能的继任者或竞争对手。多年来，ReRAM也被吹捧为2D NAND、NOR闪存和其他内存类型的替代品。

ReRAM是非易失性的，基于电阻元件材料在两个稳定电阻状态之间的电子切换。这项技术之所以具有吸引力，是因为据说它能比现在的闪存提供更快的写入时间和更长的续航时间。其他下一代存储器，如STT-MRAM和相变存储器，也有类似的说法。

毋庸置疑，下一代内存的前景令人困惑。Web-Feet Research首席执行官艾伦•尼贝尔(Alan Niebel)表示:“NAND存储器的主要替代品是相变存储器和ReRAM存储器。”“STT-MRAM可以成为DRAM的替代品，但它的存储成本太高。”

两个场景
曾经有一段时间，FeRAM、MRAM、相变和ReRAM都被标榜为“通用存储器”，它们是可以取代今天的DRAM、闪存和SRAM的单一设备。但传统记忆的规模比之前想象的要大得多，超越了通用记忆。下一代存储器也落后于计划，因为这些设备的制造成本很高，而且难以规模化。

根据目前的路线图，2D NAND将扩展到大约10纳米，然后才会触壁。无论如何，2D NAND和新的3D NAND设备将在市场上共存一段时间。那么，未来有两种可能的情况。一种可能性是，ReRAM可以取代3D NAND，但这可能要到2020年的sub-10nm节点才能实现。Forward Insights分析师Greg Wong表示:“3D NAND已经推出了(ReRAM)路线图。“3D NAND将持续整个十年。”

在另一种情况下，用于存储的第一个ReRAM可能出现在2015年，使ReRAM与2D NAND、3D NAND和NOR竞争。然而，这并不是那么简单。与今天的闪存相比，ReRAM使用了新的和不同的材料，其中许多材料很难投入生产。ReRAM架构本身可以细分为三个基本类别——嵌入式、2D和3D。在3D类别中，有两种类型的reram -交叉点阵列和垂直。

今年7月，松下推出了全球首款面向嵌入式市场的ReRAM芯片。该公司集成了一个180nm ReRAM器件与一个8位控制器和其他块。微控制器的目标是血压计，火灾报警器，电子护照和其他嵌入式应用。

更复杂的reram是用来取代NAND和NOR的独立部件。两种ReRAM类型(2D和3d交叉点阵列)基于具有领先设计规则的存储单元。“他们将需要先进的光刻技术，”应用材料公司高级总监兼主要技术人员吉尔·李(Gill Lee)说。

Lee表示，Vertical ReRAM更像是3D NAND。在这两种情况下，垂直堆叠都不是由激进的缩放驱动的，而是使用高纵横比蚀刻和沉积技术构建的层。“他们都避免使用最先进的光刻技术，”李说。

“我认为ReRAM有两个不同的发展方向。第一个是嵌入式的，密度不是太高，”Lee补充道。在存储方面，十多家公司已经展示了具有ReRAM属性的产品。但是还没有人真正拥有ReRAM产品(用于存储)。演示ReRAM完全不是问题。制造数以十亿计的可靠且经济的ReRAM设备是很困难的。到目前为止，我认为还没有人证明了这一点。”

此外，ReRAM一直在玩追赶游戏。NAND在密度和成本方面继续设定高标准。他补充说，即使有了预计的密度，ReRAM也无法跟上NAND的每比特成本曲线。ReRAM的其他问题包括路径泄漏、寄生电容和线路电阻。将ReRAM材料与CMOS集成的能力也是一个挑战。

如何制作垂直ReRAM
尽管如此，还是有一些很有前途的ReRAM架构。Imec、Macronix、三星和斯坦福大学正在分别开发垂直ReRAM。一般来说，垂直的ReRAM类似于摩天大楼。该结构由几个楼层或水平平面组成。平面由垂直梁或柱结构相交，作为层与层之间的互连。

每个支柱由一个垂直晶体管组成。斯坦福大学提出了一种ReRAM电极电池，使用氮化钛(TiN)，氧化铪(HfO)作为屏障层。斯坦福大学的研究助理Henry Chen说:“我们已经将电极厚度从25纳米缩小到5纳米，而我们的工艺流程没有任何变化。”

斯坦福大学采用多步骤流程来制造ReRAM细胞。“首先，分别通过PECVD和电子束蒸发器沉积多个铂层和二氧化硅层。沟槽通过两个蚀刻步骤蚀刻到氧化硅层。然后，ALD沉积氧化铪以保形覆盖沟槽侧壁。然后，TiN被用来填充沟槽作为支柱电极，”他说。“平面电极通过干蚀刻进入。因此，ReRAM单元位于战壕的侧壁。”

另一种类型的3D ReRAM使用堆叠的交叉点阵列。例如，SanDisk-Toshiba最近公布了一款基于24nm工艺和交叉点架构的32gbit ReRAM测试芯片。两家公司希望扩大这项技术的规模，在2020年之前实现1tb和4tb的设备。SanDisk公司技术副总裁Ritu Shrivastava表示，为了扩大该设备的规模，该行业将需要极紫外(EUV)等尖端光版技术。Shrivastava说:“我们正在使用(测试芯片)来学习如何缩小设备，并在时间到来时做好准备。”

另一个ReRAM供应商Crossbar采用了另一种具有专有交叉点架构的方法。电阻开关机制本身是基于材料中银丝的形成。Crossbar首席执行官乔治•米纳西安(George Minassian)表示，Crossbar最初瞄准的是不需要尖端工艺的“NOR替代”市场。“我们的电池可以缩小到10纳米，”Minassian说。但我们的目标是65nm(初期)。”

Crossbar在一家未公开的工厂开发了工作部件。最初，该公司计划授权使用该IP。这项技术预计将在未来两年左右出现。

其他公司也在开发平面ReRAM设备，包括Adesto、美光-索尼、SK海力士-惠普等。业界正密切关注SK海力士和惠普在2015年之前共同推进惠普忆阻器技术商用化的动向。忆阻器是一种无源双端电子器件，是ReRAM的一种形式。在忆阻中，如果通过关闭施加的电压来停止电荷的流动，这个元件将记住它的最后一个电阻。不过，到目前为止，SK海力士只展示了一款2mbit的设备，这意味着该公司在将忆阻器商业化之前还有很长的路要走。