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NAND 的替代技术——3D 闪存 作者:Andrew J. Walker Schiltron Corporation 传统的 NAND Flash 根本不能被视为一种 "通用" 存储器. 的确, 其特殊的线性串列 MOSFET 存储器结构限制了它在那些相对较慢存储时间就已经足够好的领域的应用.东芝公司 (Toshiba)于 1988 年在国际电子装置会议(International Electron Device Meeting)上发表了 有关 NAND Flash 的首篇学术论文, 那时的 NAND Flash 是由在两个使用 1um 设计原理的 存取设备之间排成一列的 8 个浮栅 MOSFET 组成.从那时以后我们的技术一直不断进步. 写这篇文章时, 最先进的产品使用的是半节距约为 30nm 的装置. 自线性缩放出现 20 年来, 许多创新一直推动着这种技术的快速发展. NAND Flash如此流行的原因包括较低的每位成本和个人存储需求的显著上升.NAND的单元尺 2 寸接近 4F (F是该方法的最小形体尺寸)的理论极限.线性串列结构使得节距可以根据朝着 一个方向的无接触栅间隔与朝着另一方向的无接触场氧化间隔确定. 随后两个串列间可以共 享位线接触,而且多个串列可以共享源极. 在我写这篇文章时,闪存记忆体高峰会(Flash Memory Summit)刚刚在圣塔克拉拉(Santa Clara)闭幕.SanDisk 公司创始人兼首席执行官 Eli Harari 在会上发表了一些有趣的评论. 除了承认该行业将见证 "NAND 可微缩性发展速度的放缓" 之外, 他还指出 3-D Flash 是 NAND 潜在的可行替代技术.具体来说,"如果材料方面取得突破",SanDisk 和东芝公司共同研 究的 3-D 技术将能够取代 NAND.此外,他还表示"向 3-D 技术过渡还需要数年时间". 因此有何原因 3-DFlash 被认为是 NAND 潜在的替代技术呢 又有哪些技术可以取代 NAND Flash 的王者地位呢 本文中的第二部分讨论了 NAND Flash 可微缩性发展速度将会放缓的 原因, 并对 NAND Flash 的各种潜在替代技术进行了分析. 第三部分对 3-D Flash 和 2-D Flash 的成本进行了比较.第四部分对 3-D 产品的发展以及标准 2-D NAND Flash 优势的逐渐消失 进行了一些预测. NAND 可微缩性和 3-D 技术 Kirk Prall 在微米(Micron)上的著作是我所知道的探讨有关 NAND 微缩范围在 30nm 以内的 问题的最佳文章.在这篇文章中,他指出浮栅结构是这些问题的主要原因.尤其是,浮栅周 围的电容耦合干扰可为任一特定的浮栅带来特定模式电压, 这使得在每个单元存储多位信息 的能力有所降低. 随着可微缩性发展速度的持续下降, 或许需要利用极端远紫外光刻以及它涉及的所有生产架 构变化,因此经济因素也是导致 NAND 可微缩性发展速度放缓的原因. 以下是已经提出的向 3-D Flash 技术过渡的多种方法.
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A. 电阻变化法
这里可分为几种方法.对于 3-D 结构中的最小单元而言,大多数(如果不是全部)可以遵 循从这个参考书目第 28 页复制而来的图 1 中所示的方法.请注意导引元件(最可能是一个 二极管),因为这是一个二端装置,并且可以在很小的区域中制造. 电阻变化法的第一个例子是相变存储器(Phase Change Memory, PCM),该存储器涉及对常以 Ge2-Sb2-Te5(GST)形式存在的硫属化物原料的使用. 可程序化的有阻力状态取决于非晶相和 (聚乙烯)晶相之间的可逆变化.将低电阻改为高电阻状态的复位电流通常约为几百 μA.
图1 这个类别中的另一种方法涉及对一些钙钛矿原料的使用. 对于 PCM 方法而言, 将状态从低电 阻改为高电阻似乎至少需要 100μA. 第三种方法是将纯金属氧化物用作切换材料.正如上文提到的,复位电流至少需要 100μA, 尽管最近出现了复位电流可低于 100μA 的利好数据. 还可以通过其它有趣的方法实现电阻切换,包括报导中所使用的编程电流低至 1μA 的固态 电解质.
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有关切换材料的文献指出, 在实现高密度 3-D 技术之前依然面临一些挑战, 也就是说需要在 足够低的工艺热预算中整合高电流驱动导引装置,并需要将复位电流降至能够出现 NAND Flash 中已经存在的大量程序并行的水平.另一项考虑或许就是需要将复位电流降至能够将 精选晶体管整合进 3-D 存储器的水平. 目前基于多晶硅或纳米硅的薄膜晶体管技术不能满足 上述切换材料的现有需求.

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