低功耗小尺寸：电阻式RAM终于来了！

　　电阻式RAM（（随机存取存储器）的低功耗和小单元面积的特点使其成为非易失性存储器中的佼佼者。

　　平面型的DRAM和NAND大概在16nm或10nm以下的尺寸上再也坚持不了几年了，现在人们都在吹捧新类型的存储器，包括相变RAM（PCRAM），铁电RAM（FRAM），磁阻RAM（MRAM），和最近的电阻式RAM（ReRAM和CBRAM（导电桥接EAM））。

　　几年以来TechInsights都在对Numonyx和三星的PCRAM，Ramtron的FRAM，以及飞思卡尔及其子公司Everspin的MRAM。这些器件都已经出现在市场上了，但从中都还没有出现能取代NAND或DRAM的趋势，因为这些器件的尺寸和功耗水平还和传统结构难以匹敌。而电阻式RAM则能同时满足低功耗和小单元面积的要求，这使得其成为目前最有潜力的非易失性存储器。

　　Adesto和松下是两家带来两种不同的电阻式存储器的公司。Adesto提供了32KB到128 KB的单独内存芯片导电桥接RAM（CBRAM），主要的目标市场是物联网方面的应用。松下则提供了嵌入了ReRAM的8位MCU，可用于便携式的医疗应用设备、安全设备和传感器设备。目前这些市场都还小众，在短时间内不会给DRAM和NAND带来明显的威胁。

　　

　　Adesto RM24EP128KS CBRAM的结构图像

　　

　　嵌入了ReRAM的Panasonic MN101LR05D 8位MCU结构图像

　　平面型NAND和DRAM的尺寸收缩确实已经走到了尽头。为了应对这一情况，三星、美光、SK-海力士和东芝都在研究这些器件的3D架构。例如三星就在2014年秋天发布了3D V-NAND存储，主要用在固态硬盘中；而AMD也指望在其即将到来的390X GPU使用上SK-海力士的高带宽内存（HBM）。

　　接下来，我们将仔细了解一下Adesto和松下的产品。

　　Adesto在其RM24EP128KS中使用了一种导电桥接技术，一晶体管一电阻器（1T1R）CBRAM产品，而这项技术基于银/锗硫化物/钨存储单元（如下图所示）。CBRAM的原理是导电细丝处于固态电解质中（写入）或通过施加的偏置电压使导电细丝破裂（擦除）。如铜和银一样可氧化的电极提供了组成绝缘电解质中导电细丝的金属离子的来源。Adesto使用银阳极来存储离子，锗硫化物玻璃作为电解质，阴极则是惰性钨材料。

　　

　　Adesto CBRAM单元

　　一个施加到银阳极上的正向偏压将导致银离子迁移进入锗硫化物层，形成连接钨阴极底部的导电细丝（导电桥）。而反向的偏压则会逆转这一过程。

　　对半导体行业而言，银和锗硫化物都是不寻常的材料，而Adesto的商业模式也是无晶圆厂模式，因此所能选择的代工厂是非常有限的。Adesto现在的合作伙伴是Altis Semiconductor，一家位于法国Corbeil-Essones的专业的代工厂。当然，因为Altis在2011年曾经入股Adesto，所以这样的合作看起来也理所当然，同时，Altis也获得了Adesto CBRAM的技术授权。

　　Altis的2013年公布的技术路线图eCBRAM正在130纳米CMOS工艺上进行开发，但看起来还没有任何产品出现。

　　

　　Altis路线图

　　另外我们要指出的是，Adesto在2013年曾发表了一篇论文，他们介绍了一种新一代的CBRAM，其使用了在其阳极中包含半导体组件的一个非晶合金，并且使用了非晶氧化层作为交换层。据称，这种第二代的单元与第一代CR + BRAM相比，在经过了回流焊操作之后提升了数据的保持能力。

　　松下是第二家提供电阻式RAM（ReRAM）的公司，MN101LR系列单片机就使用了这项技术。这些单片机是在松下原来所有的Tonami工厂生产的，使用的是180纳米CMOS工艺。Tonami工厂现在是松下和TowerJazz一起运营的合资企业。

　　松下使用二元过渡金属氧化物（氧化钽）作为夹在上电极（铱）和下电极（钽系电极）的可变电阻层。松下的第319号专利更进一步描述了钽氧化物具有两个子层，其中一个底部钽氧化物层是通过反应性溅射法在钽靶上形成的缺氧层TaO1.43）。这种沉积的钽氧化物然后会经过一个氧化工艺增加上层的氧含量从而得到TaO2.45，这在化学计量上和Ta2O5很接近。

　　

　　松下ReRAM单元

　　可以通过在上电极上施加一个负偏压脉冲可以将坦氧化物的电阻从高阻态切换成低阻态，而如果在上电极上施加的是正向电压脉冲，然后其电阻又会回到高阻态。

　　关于ReRAM单元到底是如何工作的，松下提供了一些提示。他们的319号专利指出缺氧层（TaO1.43）是导电的，而TaO2.45层则是有阻的，而电阻的切换就发生在TaO2.45层。在2012年的一篇论文中，松下在TaO2.45层中形成了导电细丝，这其中使用到了氧空位。

　　氧空位跳和Frenkel-Poole传导机制是开关行为的早期解释，而最近的研究显示上部TaO1.43和上覆的铱电极之间的氧化还原反应是电阻变化的主要原因。我们可能无法真正了解这一物理现象的具体过程，但这对于ReRAM是确实有效的！

　　对于Adesto和松下而言，要将他们的存储单元的尺寸继续下降是很有限的。Adesto使用的Ag和GeS2限制了其代工厂的可能选择，而Altis现在的生产工艺水平还在130纳米。而且Altis的产品路线图也还没有规划低于130纳米的技术引进。Adesto也许可能能够通过另一家工厂的前端处理克服光刻的限制，再让Altis来生产Ag和GeS2内存单元层，然后再在第一家选择的代工厂完成晶圆的制造。物流可能很有压力，但这是一个可行的解决方法。

　　松下可能在减少尺寸上有更好的选择，TowerJazz的工艺技术已经能降到45纳米。而松下也已经在其MN2PS009图形处理器的设计中有45纳米段的处理器设计和生产的经验，他们也还设计生产过32纳米的MN2WS0150 HKMG处理器。

　　这两款产品都没有要注定成为大型商业存储的竞争者，但是他们的目标市场（物联网和便携式系统）确实需要这些。而三星、SK-海力士、东芝和美光这样的公司可能会更容易生产针对大型商业存储市场的ReRAM产品。比如说，三星在2011年的电子器件会议（IEDM）上展示了使用3D工艺制成的垂直型电阻式RAM。在这些器件中使用的垂直结构有一个垂直中心TiN电极，该电极涂有一层TaOx存储层，并且由W/TiN水平电极进行环绕。水平电极会在另一个顶部堆叠以得到VVRAM结构。三星提到可以将VRAM的层数提高到32层甚至更高，所以他们最近在其发布的3D V-NAND中使用了39层金属栅极就不那么令人惊奇了。

　　美光和索尼则在2014年的ISSCC（国际固态电路会议）上展示了一款16GB ReRAM，生产所采用的是27纳米工艺，单元尺寸为6F2。一个双层CuTe/绝缘层组成了电阻组件。索尼说过16GB ReRAM的存储级产品可能在2015年正式上市。

　　所以ReRAM现在要用于我们的智能手机还为时尚早，但不久之后它们就要开始出现了，我们也希望能在最新的智能手机上看到它。