从三星最新40nm NAND看非易失性存储技术发展

为了夺回NAND闪存的技术领导权，三星半导体近日推出一款采用40nm工艺制造的32Gb NAND闪存芯片。该芯片不再采用传统的浮动栅结构，而是采用了被三星称为电荷捕获闪存(CTF)的专有氧-氮-氧层结构。与此同时，三星公司还推出了密度为512Mb的最新型相变存储器原型。

该NAND产品的推出紧随英特尔和美光的合资公司IM Flash Technologies(IMFT)宣布样产50nm工艺的4Gb NAND闪存之后，IMFT曾凭借50nm工艺领先三星一步。而IMFT当时50nm消息的发布，也仅仅在三星宣布量产60nm闪存后的几天时间。

三星公司声称其CTF技术将允许其很容易地将NAND工艺调整到30nm甚至更小的20nm，这样的工艺节点可以生产出256Gb的芯片。如果三星的竞争对手无法缩小传统的浮动栅技术工艺，那么他们就将被三星超越。不过，IMFT在其50nm器件中展示了获得4F2单元尺寸所使用的一些独特技术，而一些分析人士则认为NAND尺寸还将继续缩小并出现若干代新产品。

三星拒绝透露开发方面更详细的技术细节，不过该公司声称，基于CTF的NAND芯片由于减少了单元与单元之间的干扰，从而易化了位读取，因此也就提高了芯片的可靠性。基于CTF的NAND芯片免除了对浮动栅(传统NAND器件中的关键部分)的使用，取而代之的是从绝缘的氮化硅层中捕获电荷，该氮化硅层像三明治那样夹在两层氧化层间。三星公司相信这种方法可以提高可靠性，并有效控制存储电流。

三星将上述整个结构称为Tanos，该结构由钽(一种金属)、氧化铝(一种高k材料)、氮化物、氧化物和硅层组成。TANOS结构的采用，标志着三星在行业内首次成功地将金属层和高k材料结合应用于NAND设备中。

三星的方案看起来类似Spansion公司在其MirrorBit NOR器件中的做法。MirrorBit技术同样使用了一个采用陷阱电荷(trapped-charge)并基于氮化物的架构，而且也没有使用浮动栅。Spansion声称，这样做可以减少聚合层，与多层单元(MLC)浮动栅技术相比，这种技术可以节省40%的掩膜步骤，并提高30%的良率。三星则认为，该架构可节省20%的工艺步骤，并将单元尺寸缩小28%。

"所有改进从理论上来看都不错。"提供IC技术和专利分析的Semiconductor Insights公司分析师Geoffrey MacGillivray表示，"然而，40nm工艺还是极具挑战性的，所以我们对三星公司如何在其闪存中实现这些技术非常感兴趣。"

有趣的是，三星在40nm NAND方面的锐意进取，对PRAM、FRAM和MRAM等其它新型非易失性存储器技术的近期商用化却是个"不祥之兆"，Semico Research公司非易失性存储器服务总监Jim Handy表示。"一旦闪存碰到难以逾越的障碍而无法向更小的工艺节点迁移，这些替代技术才能显得更有意义。"他指出。

MRAM和FRAM目前正在缓慢地进入市场。在过去几年中，英特尔、瑞萨、Elpida、ST、索尼、东芝等公司已经介入相变存储器(也称为PRAM、PCM或OUM)的研发。自从2004年以来，三星已经推出了64Mb和256Mb的PRAM，去年底它还从较早开发相变存储器的Ovonyx公司那里获得了PRAM技术的授权。

PRAM相变存储器类似于在CD和CD驱动器中使用的技术。这两种技术都利用了硫属化物玻璃的独特性能，不过方式不同。在PRAM中，利用电流将硫属化物薄膜加热到晶状或非晶状。这两种状态下的电阻率有很大的不同，可分别被读取为0或1。

在所有开发PRAM的公司中，三星公司拥有庞大的内部应用--手机。如果PRAM能够成为通用型替代存储器，那么它将有很大的用武之地。"如果仔细了解一下三星目前为3G手机提供的存储器，"Semico公司负责新兴存储器技术的Bob Merritt指出，"你会发现包含2个DRAM裸片、2个PSRAM裸片、2个NAND裸片以及2个NOR裸片的多芯片封装。很显然，针对机箱级计算应用开发的存储器技术对这些高移动性应用而言，并不是最高效的存储器技术。"

"然而，一些正在开发的新型存储技术(特别是PRAM)的性能范围很适合3G应用，因而最终可以很理想地被嵌入到处理器裸片中。"他表示。

三星公司认为其PRAM在2008年达到商用化后，将成为NOR闪存强有力的竞争对手。由于采用了垂直二极管来形成在其DRAM工艺中用到的3D晶体管结构，工程师可以获得0.0467平方微米的单元尺寸，这是迄今最小的尺寸，只有NOR的一半。不过，三星没有详细指出用于比较的是哪款NOR芯片，也没有透露实现相变所需的编程电流大小。去年9月，三星公司在256Mb的阵列中使用了400mA的编程电流，几个月后，瑞萨公司宣称使用100mA的电流编程1.5V的PRAM。

iSuppli公司闪存与新兴存储器技术高级分析师Mark DeVoss认为，PRAM的最大障碍之一是每位成本。他指出："就成本来说，目前PRAM还无法与各种现有存储器相抗衡，但它速度快，且最终将提供极具竞争力的每位成本和非易失性能。我猜想它将替代慢速SRAM，紧接着再吞并NOR闪存业务……但在替换高速SRAM、DRAM和NAND闪存方面具有较大的挑战性。"

三星公司透露它的首款高密度PRAM将是512Mb的闪存。