三大存储巨头，关注这项技术

2024-01-29 01:01

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自pcwatch，谢谢。

英特尔与美光科技于2015年7月28日（美国时间）联合发布“3D XPoint内存”。2017年以来，英特尔出现了很多高速存储产品，但2021年3月美光科技（以下简称美光）暂停开发，英特尔于2022年7月退出该业务，导致商用被认为是失败的。

然而，最近，针对缓解 3D XPoint 存储器弱点的大容量非易失性存储器技术的研究变得活跃。非易失性存储器称为“仅选择器存储器（SOM：Selector Only Memory）”、“自选择存储器（SSM：Self-Selecting Memory）”或“单硫属化物X点存储器（SXM：Single-chalcogenide Xpoint）”技术。主要半导体存储器公司三星电子、SK海力士、美光等都在进行研发。

SOM 与 3D XPoint 存储器（以及类似的 3D 交叉点存储器）的不同之处在于，它使用交叉点结构（存储单元像将棋或国际象棋棋盘一样以二维矩阵排列的结构）。改变。不同之处在于存储单元仅由一个选择器组成。

3D XPoint 内存小型化和 3D 堆叠几乎达到极限

在3D XPoint存储器中，存储单元由选择器（用作单元选择元件的开关）和存储元件（相变存储器：PCM）组成。它具有所谓的“1S1R”配置。通过垂直堆叠2端子选择器和2端子存储元件来实现交叉点结构。

使用此架构增加存储密度的主要方法有两种。一是小型化，二是增加三维堆叠存储单元阵列（称为“堆栈”或“甲板”）的数量。然而，这两种方法在第二代 3D XPoint 内存（处理尺寸 20nm，4 层）中几乎达到了极限。

阻碍小型化的是蚀刻难度的增加以及相邻单元之间热干扰的增加。具有交叉点结构的存储单元具有细长的柱状形状并且具有大的蚀刻纵横比(AR)。减小加工尺寸意味着在不改变存储单元高度的情况下使存储单元的支柱变薄。AR 增加，蚀刻失败的风险增加。

此外，加工尺寸的减小意味着相邻存储单元之间的距离变得更小。由于存储单元的相变存储元件使用热量来进行重写操作，所以相邻的存储单元(未选择的单元)也被加热到一定程度。随着单元之间的距离变短，相邻未选择单元的温度由于重写操作而进一步升高。在某些情况下，会发生相变（主要是从非晶相到结晶相）并且数据被重写。

增加堆叠或甲板数量的障碍是工艺步骤数量的显着增加。3D XPoint 存储器的存储器单元（deck）具有相当多的层数。从底部看，有字线（WL）层、底部电极（BE）层、选择器（OTS）层、中间电极（IM）层、存储器（PCM）层、顶部电极（TE）层和位线(BL)层.)层，一共有7层。第一代“3D XPoint内存”有2层，因此有14层。由于第二代有四层，因此需要28层成膜工艺。可见，即使是4层，也需要相当多的工时来制造。

通过消除存储元件，提高密度并降低制造成本

我们希望将cross结构的加工尺寸减少到20纳米或更小，并将3D堆叠甲板的数量增加到4个或更多。为此目的设计的是省略存储元件并使用选择器作为开关和存储元件。这是具有所谓“1S”结构的存储单元。如上所述，形成存储单元的蚀刻的AR减少至约60％。此外，由于不存在相变存储元件，因此原则上相邻单元之间不会发生热干扰。

与 3D XPoint 存储器不同，选择器中存储的数据使用阈值电压的差异。存储单元原型设计的结果表明，即使加工尺寸约为15 nm，高阈值电压状态（重置状态）和低阈值电压状态（置位状态）也得以维持，并且窗口（裕度）几乎保持不变。

另外，SOM的写入时间短，写入时间在置位和复位之间不发生变化（相变存储器的置位时间长，复位时间短），并且重写循环寿命不受相变存储器寿命的限制元素。有优点。

当然，SOM也有弱点。最大的问题可能是读写裕度紧张。在写入过程中，必须精确控制阈值电压。此外，还存在选择器不仅在写入动作中劣化而且在读出动作中劣化的问题。还必须测试读取循环寿命。

三星：采用16nm和精细加工技术的64Gbit单deck原型

接下来，我们将报道各大半导体存储器公司公布的SOM研发成果。从三星开始。该公司已经利用16nm和精细加工技术制作了64Gbit大容量SOM原型。原型结果于2023年12月（去年）的国际学术会议IEDM上发表。

选择器的操作基于 OTS（Ovonic 阈值开关）。选择锗（Ge）、砷（As）和硒（Se）的硫族化合物作为选择器的材料。堆叠（甲板）的数量是“1”。写入和读取脉冲都相当短，最短为 56ns。

长期可靠性重写周期达到10的8次方，读周期达到10的9次方。对于大容量非易失性存储器来说，这是一个相当不错的值。数据保留特性未公开。

美光：制造基于3D XPoint内存的256Gbit大容量SOM

接下来是美光。该公司基于第二代 3D XPoint 内存技术制作了 SOM 原型，并在 2023 年 12 月的国际会议 IEDM 上进行了展示。最小加工尺寸为20 nm，交叉点堆栈存储容量为64 Gbit，四个堆栈三维堆叠可实现256 Gbit的大容量存储器。

美光在其公告中展示了其第二代 3D XPoint 内存和 SOM 的比较。SOM的写延迟时间很短，与读延迟时间相同。写入所需的电流比 3D XPoint 内存低约 30%。此外，重写循环寿命比 3D XPoint 存储器长 10 倍。

SK海力士：2022年12月发布小容量32Mbit SOM芯片

最后一位是SK海力士。该公司很快就公布了 SOM 的原型。2022年12月，我们在国际会议IEDM上宣布了存储容量为32Mbit的SOM硅芯片。最小加工尺寸为20nm，堆叠数量单一。重写延迟时间和读取延迟时间均比该公司原型的大容量3D交叉点存储器更短。重写循环寿命已被证实可达 10 至 7 次功率循环。