业界评析：从三星最新NAND技术看NVM之发展

为了夺回NAND闪存技术的主导权，三星半导体(Samsung)不久前推出一款采用40nm制程技术的32Gb NAND闪存芯片。该芯片不再采用传统的浮动闸极结构，而改用专有的‘氧-氮-氧’层结构，三星将此称为电荷撷取闪存(charge trap flash，CTF)。同时，三星还推出了密度为512Mb的最新型相变内存原型。 从而给未来的非易失性存储器（NVM）发展，留下了更多的伏笔。

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制程的4Gb NAND闪存之后。IMFT曾凭借其50nm制程领先三星一步，而IMFT发布关于50nm的消息也仅在三星宣布量产60nm闪存几天后的时间。

三星公司声称其CTF技术可使NAND制程更容易地微缩到30nm，甚至更小的20nm，以便制造出256Gb的芯片。因此，如果三星的竞争对手无法微缩传统的浮动闸技术制程，那么三星的这项技术将有助于使其超越竞争对手。然而，IMFT在其50nm组件中显示出已能实现4F2单元尺寸所使用的某些独特技术，同时，产业分析师也认为NAND尺寸还将继续微缩若干世代。

三星拒绝进一步透露有关开发上的技术细节，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可能使位难以读取的干扰，因而提高了芯片的可靠性。基于CTF的NAND芯片无须使用传统NAND组件中关键的浮动闸，取而代之的是从两层氧化层间的绝缘氮化硅层中撷取电荷。三星公司相信透过该途径将可提高可靠性，并有效控制储存电流。

三星将上述整个结构称为TANOS，该结构由钽金属、氧化铝(高k材料)、氮化物、氧化物和硅晶层所组成。TANOS结构的采用，也象征着三星在产业界首次将金属层和高k材料结合应用于NAND设备中。

三星的结构方案看来就像Spansion公司在其MirrorBit Nor组件中的做法。MirrorBit技术同样使用了一个基于氮化物架构的阻陷电荷(trapped-charge)，而且未使用浮动闸。Spansion声称，该技术采用减少聚合层的作法使其在与多层单元(MLC)浮动闸技术相较时，可以节省40%的光罩步骤，并提高30%的良率。而三星则认为，该新技术架构可节省20%的制程步骤，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制程还是极具挑战性的，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，Semico Research公司非挥发性内存服务总监Jim Handy表示，三星积极推动40nm NAND对PRAM、FRAM和MRAM等其它新型非挥发性内存技术的近期商用化来说，却是个‘不祥之兆’。“因为唯有闪存面临难以逾越的障碍而无法向更小的制程节点迁移时，这些替代技术才更显得有意义。”他指出。

MRAM和FRAM目前正缓慢地进入市场。在过去几年中，英特尔、瑞萨、Elpida、ST、Sony和东芝等公司都已经纷纷大举投入相变内存(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内存的Ovonyx公司那里获得了PRAM技术的授权。

PRAM相变内存类似于CD和CD驱动器中所使用的技术。这两种技术都利用了硫系玻璃的独特性能，只不过其方式有所不同。在PRAM中，无论是利用电流将硫系薄膜加热到晶体或非晶体的状态时，其电阻率都有很大的差别，分别可被读取为0或1。

图1：三星的新型CTF技术与传统内存技术比较表

在所有开发PRAM的公司中，三星公司更拥有庞大的内部应用─手机。因此，如果PRAM技术能够成为通用型的替代内存，那么将可为三星手机造就更大的用武之地。“如果仔细了解目前三星为3G手机提供的内存，”Semico公司负责新兴内存技术的Bob Merritt指出，“你会发现其中包含2个DRAM芯片、2个PSRAM芯片、2个NAND芯片以及2个NOR芯片的多芯片封装。很显然地，针对桌上型运算应用开发的内存技术对于具有高度行动性的应用而言，并不是最高效的内存技术。”

“然而，某些正开发中的新内存技术(特别是PRAM)的性能范围很适合3G应用，因而最终便能很理想地被嵌入于处理器芯片中。”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其DRAM制程中所用的3D晶体管结构，工程师们便可获得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，三星并未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的数组中使用了400mA的编程电流，几个月后，瑞萨公司也宣称使用100uA的电流编程1.5V的PRAM。

iSuppli公司闪存与新兴内存技术资深分析师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还无法与各种现有的内存相抗衡，但它速度快，且最终将提供极具竞争力的每位成本和非挥发性能。我猜想它将可替代慢速SRAM，接着再吞并NOR闪存业务……但在取代高速SRAM、DRAM和NAND闪存方面则仍具有较大的挑战性。”

三星公司透露，其首款高密度PRAM将是512Mb的闪存。