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谁能“替代”DRAM
发布日期：2021-05-28 来源： 半导体行业观察
作者：网络
DRAM是存储器市场当中最大细分领域。同时，随着服务器、智能手机、PC等产品对DRAM需求的增长，这类半导体产品将迎来新一轮的超级成长时期。从结构上看，DRAM存储器，存储单元由一个电容器和一个晶体管组成。电容器用于存储电荷，晶体管用于访问电容器，可以读取存储了多少电荷，也可以存储新的电荷。但随着小型化、集成化的发展，DRAM的缺点也暴露了出来——单个晶体管不能很好地将电荷保持在小电容器中。它将使电流从电容器泄漏或流向电容器，从而随着时间的流逝而失去其明确定义的充电状态。通过定期刷新DRAM可以避免此问题，但这意味着读取存储器的内容并将其重新写回。而在数据处理需求的激增下，这种类型的DRAM并更好地满足未来市场需求。因此，业界也在寻找新的技术来改善目前DRAM的技术。在这个过程当中，有一些企业和机构对无电容 DRAM技术展开了研究。
动态闪存（Dynamic Flash Memory：DFM）是由Fujio Masuoka博士创立的公司Unisantis Electronics推出的。据介绍，这是一种比DRAM或其他类型的易失性存储器更快，更密集的技术，并将有希望成为DRAM的替代者。DRAM是一种易失性的、基于电容的、破坏性读取形式的存储器——长期以来，它的挑战一直是在不增加功耗的情况下继续封装在更低的成本中。DFM也是易失性存储器的一种，但是由于它不依赖于电容器，因此泄漏路径较少。采用这种技术的开关晶体管和电容器之间没有连接。在DFM开发的过程当中，垂直环绕门晶体管（SGT）技术充当着重要的角色。据介绍，垂直SGT为最终的电路实现提供了几个关键特性：与平面和FinFET晶体管相比，提高了面密度；由于对晶体管通道的周围栅极进行了强大的静电控制，因此降低了泄漏功率，针对最终应用优化晶体管宽度和长度尺寸，无论是高性能还是极低的功耗。
DFM / SGT技术仍会泄漏电荷，但速率要比DRAM慢得多，并且读取是无损的。这意味着刷新周期之间的间隔更长，因此有更多的读写带宽。DFM / SGT提供块刷新和擦除，并且比DRAM提供更快的访问速度。Unisantis声称，在仿真中，DFM具有很大的潜力，其密度是DRAM的四倍，并且具有显着的Gb / mm²改善。它说，使用DFM的单元结构，当今对DRAM（当前为16Gb）的限制可能会立即增加到64Gb内存。Unisantis已经发展了DFM概念，现在正寻求发展一系列的内存和铸造合作伙伴关系，以公开测试和演示DFM的功能和潜力。
除了DFM外，来自佐治亚理工、圣母大学、罗彻斯特理工学院的研究者也曾提出了一种新型的无电容DRAM。在去年举行的 IEEE 国际电子设备会议（IEDM）上，该研究小组表示：“这种新型的DRAM 由氧化物半导体制成，并内置在处理器上方的各层中，其位长是商用 DRAM 的数百或数千倍，并且在运行大型神经网络时可以提供较大的区域，节省大量能源。”这种新的嵌入式DRAM仅由两个晶体管制成，没有电容器（2T0C）。这之所以可行，是晶体管的栅极是自然的（尽管很小）电容器。因此，代表该位的电荷可以存储在此处。该设计具有一些关键优势，特别是对于AI。据了解，2T0C DRAM单元读取数据，无需破坏数据，不必重写数据。该研究小组成员表示，2T0C的排列方式不适用于硅逻辑晶体管。由于晶体管的栅极电容太低并且通过晶体管的泄漏太高，任何位都会立即流失。因此，研究人员转向由非晶氧化物半导体制成的设备。在这种方法的指导下，比利时微电子研究中心（Imec）的研究人员在国际电子器件会议（IEDM）上推出了一种类似的 2T0C 嵌入式方案，该方案使用铟镓锌氧化物（IGZO）作为半导体。Imec的高级科学家Attilio Belmonte指出，IGZO必须在有氧的情况下进行退火，以修复由氧空位引起的材料缺陷。这具有减少IGZO中可有助于电流流动的自由电子数量的作用，但是如果没有它，这些设备将不会像开关那样起作用。
Kilopass也曾在2016年推出过VLT技术来实现无电容DRAM。据了解，Kilopass的VLT采用无电容结构，通过垂直方式实现晶闸管架构，从而使存储单元更加紧凑。紧凑的结构加上所需的物理器件，构造出制造工艺简单的交叉点内存，这将带来一项与DDR标准兼容，并且比当时顶尖的20纳米DRAM制造成本低45%的新技术。与2T0C DRAM不同的是，据当时的媒体报道称，VLT技术存储技术无需任何新材料，可以做到与逻辑CMOS工艺100%兼容。
Z-RAM由Innovative Silicon进行开发的，这也是一种无电容器的新型DRAM。据此前的报道显示，Z-RAM是一个单晶体管DRAM，仅由一个晶体管作为存储位单元。与由单个晶体管和复杂电容器组成的DRAM不同，不需要电容器或其他结构即可形成Z-RAM存储位单元。Z-RAM依靠floating body效应，即绝缘体上硅（SOI）工艺的伪影，该工艺会将晶体管放置在隔离的槽中（晶体管体电压相对于槽下方的晶圆衬底“float”）。floating body效应导致在 tub的底部和下面的基板之间出现可变电容。floating body效应通常是一种寄生效应，会影响电路设计，但也可以在不添加单独电容器的情况下构建类似于DRAM的单元，然后，floating body效应便取代了常规电容器。因为电容器位于晶体管的下方（而不是像常规DRAM那样与晶体管相邻或位于晶体管上方），所以名称“ Z-RAM”的另一个含义是它沿负z方向延伸。在Z-RAM存储单元中，通过使用碰撞电离产生多余的空穴和残留的正电荷，逻辑状态存储在晶体管的浮体中。与DRAM中的电容器不同，读取操作不会尝试直接测量存在的电荷量。取而代之的是，电荷将栅极阈值电压改变为大约1伏，从而提供了可观的读取噪声容限。RAM是在标准SOI逻辑过程中实现的，因此它将在逻辑上迁移到SOI所在的相同应用程序区域中。有报道称，它在速度、功率和密度方面的广泛可配置性使它几乎可以应用于任何使用高速内存的地方，特别是在高性能SOI应用程序中。然而，随着传统SRAM制造技术的进步(最重要的是，向32nm制造节点的过渡)，Z-RAM失去了它的优势。这种趋势也反应在其商业应用上。据维基百科的介绍显示，虽然AMD在2006年批准了第二代Z-RAM，但该处理器制造商在2010年1月放弃了Z-RAM计划。类似地，DRAM生产商SK Hynix也在2007年授权Z-RAM用于DRAM芯片，Innovation Silicon在2010年3月宣布，他们正在联合开发一种非SOI版本的Z-RAM，可以用更低成本的批量CMOS技术生产，但该公司在2010年6月29日倒闭了。随后，其专利组合于2010年12月被美光科技收购。
与无电容器DRAM这种方式相比，IBM则提出了另外一种方式，这也被视为是推动DRAM继续发展的另外一条途径。IBM表示，过去的二十年中，人们一直在尝试摆脱电容器，从而进一步减少DRAM单元的面积和制造成本。而为了进一步缩小尺寸，拆掉电容器几乎已成为当务之急。这就要求做到在不减少可存储电荷量的情况下，缩小cell的横向尺寸，那就留出了一条可供制造的途径，即：使电容器“藏”得更深。
但IBM指出，从长远来看，这是一个瓶颈，这不仅是由于几何（geometrical）约束，而且还因为“孔”（well）顶部的电荷积累使使用整个存储容量更具挑战性。而将电荷存储在晶体管主体中已被认为是进一步缩小尺寸的最佳策略。研发人员已经使用硅对无电容器DRAM cell的不同变体进行了实验研究。但是很少有人关注基于替代半导体材料的类似概念。在2019年的《自然电子杂志上》，IBM展示了有史以来最小的无电容器DRAM，其存储单元长度只有14纳米。
这是一个单晶体管，无电容器的DRAM cell，它使用晶体管主体作为一种电容器，其中的电荷（在这种情况下为空穴）被临时存储在其中。电子空穴从晶体管主体的注入和抽出使得能够调节晶体管的静电行为，从而导致两个不同的电流水平。像InGaAs这样的III-V材料通常具有比硅更小的带隙，而硅原则上具有在低得多的电压下工作的潜在优势。反过来，这转化为可能更低的功耗。
IBM方便表示，他们已经证明了无电容器MSDRAM cell的栅极长度为14纳米的可行性。通过使用晶体管本体来存储电子空穴数量，我们能够获得对应于二进制状态0和1的两个不同的电流电平。而该存储器概念的实验实现证实了TCAD仿真获得的结果。
与基于硅的实现相比，IBM使用InGaAs的新颖概念为实现DRAM存储器的积极小型化提供了一条有希望的途径，同时还降低了功耗。从有关性能指标（例如保留时间）的这一概念进一步改进的潜力，而IBM艰辛存在可行的策略来实现这些改进。从这些新技术的出现中，我们得以预见，DRAM正在开启新一轮的变化。而哪种技术能够取代现在的DRAM，还需要市场的考验。
