低功耗小尺寸：電阻式RAM終于來了！

　　電阻式RAM（（隨機存取存儲器）的低功耗和小單元面積的特點使其成為非易失性存儲器中的佼佼者。

　　平面型的DRAM和NAND大概在16nm或10nm以下的尺寸上再也堅持不了幾年了，現在人們都在吹捧新類型的存儲器，包括相變RAM（PCRAM），鐵電RAM（FRAM），磁阻RAM（MRAM），和最近的電阻式RAM（ReRAM和CBRAM（導電橋接EAM））。

　　幾年以來TechInsights都在對Numonyx和三星的PCRAM，Ramtron的FRAM，以及飛思卡爾及其子公司Everspin的MRAM。這些器件都已經出現在市場上了，但從中都還沒有出現能取代NAND或DRAM的趨勢，因為這些器件的尺寸和功耗水平還和傳統結構難以匹敵。而電阻式RAM則能同時滿足低功耗和小單元面積的要求，這使得其成為目前最有潛力的非易失性存儲器。

　　Adesto和松下是兩家帶來兩種不同的電阻式存儲器的公司。Adesto提供了32KB到128 KB的單獨內存芯片導電橋接RAM（CBRAM），主要的目標市場是物聯網方面的應用。松下則提供了嵌入了ReRAM的8位MCU，可用于便攜式的醫療應用設備、安全設備和傳感器設備。目前這些市場都還小眾，在短時間內不會給DRAM和NAND帶來明顯的威脅。

　　Adesto RM24EP128KS CBRAM的結構圖像

　　嵌入了ReRAM的Panasonic MN101LR05D 8位MCU結構圖像

　　平面型NAND和DRAM的尺寸收縮確實已經走到了盡頭。為了應對這一情況，三星、美光、SK-海力士和東芝都在研究這些器件的3D架構。例如三星就在2014年秋天發布了3D V-NAND存儲，主要用在固態硬盤中；而AMD也指望在其即將到來的390X GPU使用上SK-海力士的高帶寬內存（HBM）。

　　接下來，我們將仔細了解一下Adesto和松下的產品。

　　Adesto在其RM24EP128KS中使用了一種導電橋接技術，一晶體管一電阻器（1T1R）CBRAM產品，而這項技術基于銀/鍺硫化物/鎢存儲單元（如下圖所示）。CBRAM的原理是導電細絲處于固態電解質中（寫入）或通過施加的偏置電壓使導電細絲破裂（擦除）。如銅和銀一樣可氧化的電極提供了組成絕緣電解質中導電細絲的金屬離子的來源。Adesto使用銀陽極來存儲離子，鍺硫化物玻璃作為電解質，陰極則是惰性鎢材料。

　　Adesto CBRAM單元

　　一個施加到銀陽極上的正向偏壓將導致銀離子遷移進入鍺硫化物層，形成連接鎢陰極底部的導電細絲（導電橋）。而反向的偏壓則會逆轉這一過程。

　　對半導體行業而言，銀和鍺硫化物都是不尋常的材料，而Adesto的商業模式也是無晶圓廠模式，因此所能選擇的代工廠是非常有限的。Adesto現在的合作伙伴是Altis Semiconductor，一家位于法國Corbeil-Essones的專業的代工廠。當然，因為Altis在2011年曾經入股Adesto，所以這樣的合作看起來也理所當然，同時，Altis也獲得了Adesto CBRAM的技術授權。

　　Altis的2013年公布的技術路線圖eCBRAM正在130納米CMOS工藝上進行開發，但看起來還沒有任何產品出現。

　　Altis路線圖

　　另外我們要指出的是，Adesto在2013年曾發表了一篇論文，他們介紹了一種新一代的CBRAM，其使用了在其陽極中包含半導體組件的一個非晶合金，并且使用了非晶氧化層作為交換層。據稱，這種第二代的單元與第一代CR + BRAM相比，在經過了回流焊操作之后提升了數據的保持能力。

　　松下是第二家提供電阻式RAM（ReRAM）的公司，MN101LR系列單片機就使用了這項技術。這些單片機是在松下原來所有的Tonami工廠生產的，使用的是180納米CMOS工藝。Tonami工廠現在是松下和TowerJazz一起運營的合資企業。

　　松下使用二元過渡金屬氧化物（氧化鉭）作為夾在上電極（銥）和下電極（鉭系電極）的可變電阻層。松下的第319號專利更進一步描述了鉭氧化物具有兩個子層，其中一個底部鉭氧化物層是通過反應性濺射法在鉭靶上形成的缺氧層TaO1.43）。這種沉積的鉭氧化物然后會經過一個氧化工藝增加上層的氧含量從而得到TaO2.45，這在化學計量上和Ta2O5很接近。

　　松下ReRAM單元

　　可以通過在上電極上施加一個負偏壓脈沖可以將坦氧化物的電阻從高阻態切換成低阻態，而如果在上電極上施加的是正向電壓脈沖，然后其電阻又會回到高阻態。

　　關于ReRAM單元到底是如何工作的，松下提供了一些提示。他們的319號專利指出缺氧層（TaO1.43）是導電的，而TaO2.45層則是有阻的，而電阻的切換就發生在TaO2.45層。在2012年的一篇論文中，松下在TaO2.45層中形成了導電細絲，這其中使用到了氧空位。

　　氧空位跳和Frenkel-Poole傳導機制是開關行為的早期解釋，而最近的研究顯示上部TaO1.43和上覆的銥電極之間的氧化還原反應是電阻變化的主要原因。我們可能無法真正了解這一物理現象的具體過程，但這對于ReRAM是確實有效的！

　　對于Adesto和松下而言，要將他們的存儲單元的尺寸繼續下降是很有限的。Adesto使用的Ag和GeS2限制了其代工廠的可能選擇，而Altis現在的生產工藝水平還在130納米。而且Altis的產品路線圖也還沒有規劃低于130納米的技術引進。Adesto也許可能能夠通過另一家工廠的前端處理克服光刻的限制，再讓Altis來生產Ag和GeS2內存單元層，然后再在第一家選擇的代工廠完成晶圓的制造。物流可能很有壓力，但這是一個可行的解決方法。

　　松下可能在減少尺寸上有更好的選擇，TowerJazz的工藝技術已經能降到45納米。而松下也已經在其MN2PS009圖形處理器的設計中有45納米段的處理器設計和生產的經驗，他們也還設計生產過32納米的MN2WS0150 HKMG處理器。

　　這兩款產品都沒有要注定成為大型商業存儲的競爭者，但是他們的目標市場（物聯網和便攜式系統）確實需要這些。而三星、SK-海力士、東芝和美光這樣的公司可能會更容易生產針對大型商業存儲市場的ReRAM產品。比如說，三星在2011年的電子器件會議（IEDM）上展示了使用3D工藝制成的垂直型電阻式RAM。在這些器件中使用的垂直結構有一個垂直中心TiN電極，該電極涂有一層TaOx存儲層，并且由W/TiN水平電極進行環繞。水平電極會在另一個頂部堆疊以得到VVRAM結構。三星提到可以將VRAM的層數提高到32層甚至更高，所以他們最近在其發布的3D V-NAND中使用了39層金屬柵極就不那么令人驚奇了。

　　美光和索尼則在2014年的ISSCC（國際固態電路會議）上展示了一款16GB ReRAM，生產所采用的是27納米工藝，單元尺寸為6F2。一個雙層CuTe/絕緣層組成了電阻組件。索尼說過16GB ReRAM的存儲級產品可能在2015年正式上市。

　　所以ReRAM現在要用于我們的智能手機還為時尚早，但不久之后它們就要開始出現了，我們也希望能在最新的智能手機上看到它。