研究人员开发出一种新型相变存储器 结合DRAM和NAND的优点

研究人员开发出一种新型相变存储器 结合DRAM和NAND的优点 DRAM 速度快但易挥发，这意味着当电源被切断时（比如当你关闭电脑时），存储在其中的数据就会消失。而NAND 闪存（如固态硬盘中使用的闪存）即使断电也能保留数据，但速度又明显慢于 DRAM。PCM 既快又不会丢失数据，但传统上制造成本高，耗电量大（将相变材料熔化成非晶态需要热量，这就影响了能效）。早期解决高功耗问题的方法主要是通过尖端光刻技术缩小整个设备的物理尺寸。但改进效果微乎其微，而且在更小的技术上制造所增加的成本和复杂性也不合理。Shinhyun Choi 教授和团队设计了一种方法，只缩小直接参与相变过程的元件，从而制造出可相变的纳米丝。与使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器相比，这种新方法将功耗降低了 15 倍，而且制造成本也低得多。新型相变存储器保留了传统存储器的许多特性，如速度快、开/关比率大、变化小以及多级存储器特性。Choi说，他们希望研究成果能成为未来电子工程的基础，并能惠及高密度三维垂直存储器、神经形态计算系统、边缘处理器和内存计算系统等应用。该团队的研究成果发表在本月早些时候出版的《自然》杂志上，论文标题为《通过相变自约束纳米丝实现相变记忆》： ... PC版： 手机版：

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应" 施加一个磁场改变高达250倍电阻

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应" 施加一个磁场改变高达250倍电阻 根据日本东京大学公报，该校研究人员领衔的团队研制出一种通道长20纳米的锗半导体纳米通道器件，它属于半导体两端器件，拥有铁和氧化镁双层结构的电极，还添加了硼元素。研究人员观察到，通过给这种器件施加磁场能使其表现出电阻开关效应，外加磁场还使其实现了高达250倍的电阻变化率。研究人员给这种现象取名为“巨磁阻开关效应”。不过，目前仅能在20开尔文（约零下253摄氏度）的低温环境下观测到这种“巨磁阻开关效应”。研究团队下一步将致力于提高“巨磁阻开关效应”出现的温度，以便将其用于开发新型电子元器件等。基于电阻开关效应的电阻式随机存取存储器被视为最有竞争力的下一代非易失性存储器之一。传统的动态随机存取存储器是利用电容储存电荷多少来存储数据，其一大缺点是数据的易失性，电源意外切断时会丢失存储数据。而电阻式随机存取存储器是通过向器件施加脉冲电压产生电阻高低变化，以此表示二进制中的“0”和“1”，其存储数据不会因意外断电而丢失，是一种处于开发阶段的下一代内存技术。论文第一作者、东京大学研究生院工学系研究科教授大矢忍指出，新成果将来有望在电子领域得到应用，特别是用于神经形态计算以及开发下一代存储器、超高灵敏度传感器等新型器件。 ... PC版： 手机版：

韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器

韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器 韩国科学技术院（KAIST）（院长 Kwang-Hyung Lee）4 月 4 日宣布，电气工程学院 Shinhyun Choi 教授的研究团队开发出了下一代相变存储器*设备，具有超低功耗的特点，可以取代 DRAM 和 NAND 闪存。相变记忆体指的是一种存储和/或处理信息的存储器件，利用热量将材料的结晶状态改变为非晶态或结晶态，从而改变其电阻状态。现有的相变存储器存在一些问题，如制造高比例器件的制造工艺昂贵，运行时需要大量电力。为了解决这些问题，Choi 教授的研究团队开发出了一种超低功耗相变存储器件，它不需要昂贵的制造工艺，而是通过电学方法形成非常小的纳米（nm）级相变丝。这一新研发成果具有突破性的优势，不仅加工成本极低，而且还能以超低功耗运行。DRAM 是最常用的存储器之一，速度非常快，但具有易失性，当电源关闭时数据就会消失。存储设备 NAND 闪存的读/写速度相对较慢，但它具有非易失性特点，即使在电源切断时也能保存数据。图 1.本研究开发的超低功耗相变存储器件的图示，以及新开发的相变存储器件与传统相变存储器件的功耗对比。资料来源：韩国科学技术院新兴纳米技术与集成系统研究所另一方面，相变存储器结合了 DRAM 和 NAND 闪存的优点，具有高速和非易失性的特点。因此，相变存储器作为可替代现有存储器的下一代存储器备受瞩目，目前正被作为一种存储器技术或模拟人脑的神经形态计算技术而积极研究。然而，传统的相变存储器件在运行时需要消耗大量电能，因此难以制造出实用的大容量存储器产品或实现神经形态计算系统。为了最大限度地提高存储器件运行时的热效率，以前的研究工作主要集中在通过使用最先进的光刻技术缩小存储器件的物理尺寸来降低功耗，但这些研究在实用性方面受到了限制，因为功耗的改善程度微乎其微，而成本和制造难度却随着每次改进而增加。为了解决相变存储器的功耗问题，Shinhyun Choi 教授的研究团队创造了一种在极小面积内电形成相变材料的方法，成功实现了超低功耗相变存储器件，其功耗比使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器件低 15 倍。Shinhyun Choi 教授对这项研究未来在新研究领域的发展充满信心，他说："我们开发的相变存储器件意义重大，因为它提供了一种新颖的方法，可以解决生产存储器件过程中的遗留问题，同时大大提高制造成本和能源效率。我们期待我们的研究成果能成为未来电子工程的基础，实现包括高密度三维垂直存储器和神经形态计算系统在内的各种应用，因为它开辟了从多种材料中进行选择的可能性。我要感谢韩国国家研究基金会和国家纳米实验室中心对这项研究的支持。"4 月 4 日，国际著名学术期刊《自然》（Nature）4 月刊发表了这项研究的论文，KAIST 电气工程学院博士生 See-On Park 和博士生 Seokman Hong 作为第一作者参与了这项研究。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

DRAM，走向3D

DRAM，走向3D 早前的DRAM可以满足业界需求，但随着摩尔定律推进速度放缓，DRAM技术工艺也逐渐步入了瓶颈期。从技术角度上看，随着晶体管尺寸越来越小，芯片上集成的晶体管就越多，这意味着一片芯片能实现更高的内存容量。目前DRAM芯片工艺已经突破到了10nm级别。虽然10nm还不是DRAM的最后极限，但多年来随着DRAM制程节点不断缩小，工艺完整性、成本、电容器漏电和干扰、传感裕度等方面的挑战愈发明显，要在更小的空间内实现稳定的电荷存储和读写操作变得日益困难。据Tech Insights分析，通过增高电容器减小面积以提高位密度（即进一步减小单位存储单元面积）的方法即将变得不可行。上图显示，半导体行业预计能够在单位存储单元面积达到约10.4E-4µm2前（也就是大约2025年）维持2D DRAM架构。之后，空间不足将成为问题，这将提升对垂直架构，也就是3D DRAM的需求。另一方面，随着数据量爆炸性增长，尤其是云计算、人工智能、大数据分析等领域对高速、大容量、低延迟内存的需求持续攀升，市场对更高密度、更低功耗、更大带宽的DRAM产品有着强烈需求。在市场需求和技术创新的驱动下，3D DRAM成为了业界迫切想突破DRAM工艺更高极限的新路径。3D DRAM，迎来新进展传统的内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧的2D DRAM存储相比，3D DRAM是一种将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元上方的新型存储方式，从而可以在单位晶圆面积上实现更高的容量。采用3D DRAM结构可以加宽晶体管之间的间隙，减少漏电流和干扰。3D DRAM技术打破了内存技术的传统范式。这是一种新颖的存储方法，将存储单元堆叠在逻辑单元之上，从而在单位芯片面积内实现更高的容量。3D DRAM的优势不仅在于容量大，其数据访问速度也快。传统的DRAM在读取和写入数据时需要经过复杂的操作流程，而3D DRAM可以直接通过垂直堆叠的存储单元读取和写入数据，极大地提高了访问速度。此外，3D DRAM还具有低功耗、高可靠性等特点，使其在各种应用场景中都具有显著优势。十多年来，业界一直致力于这个方向，特别是受到3D NAND商业和功能成功的推动。迄今为止，许多3D DRAM概念已经提出并申请了专利，一些主要DRAM厂商正在进行晶圆级测试。3D DRAM技术的专利族趋势，2009年- 2023年预测走势图能看到，自2019年以来，美国申请的专利数量急剧增加，这或许意味着3D DRAM正在迎来新的进展。行业主要厂商正在逐渐加大对3D DRAM技术的开发投入，并且通过专利保护的方式为未来的市场竞争和技术主导权做准备。这种策略反映出3D DRAM技术的战略重要性和潜在的巨大商业价值。厂商，竞逐3D DRAM三星电子雄心勃勃，加速3D DRAM商业化自2019年以来，三星电子一直在进行3D DRAM的研究，并于同年10月宣布了业界首个12层3D-TSV技术。2021年，三星在其DS部门内建立了下一代工艺开发研究团队，专注3D DRAM领域研究。2022年，三星准备通过逻辑堆叠芯片SAINT-D解决DRAM堆叠问题，该设计旨在将8个HBM3芯片集成在一个巨大的中介层芯片上。图源：三星官网2023年5月，三星电子在其半导体研究中心内组建了一个开发团队，大规模生产4F2结构DRAM。由于DRAM单元尺寸已达到极限，三星想将4F2应用于10nm级工艺或更先进制程的DRAM。据报道，如果三星的4F2 DRAM存储单元结构研究成功，在不改变制程的情况下，裸片面积可比现有6F2 DRAM存储单元减少约30%。同年10月，三星电子宣布计划在下一代10nm或更低的DRAM中引入新的3D结构，旨在克服3D垂直结构缩小芯片面积的限制并提高性能，将一颗芯片的容量增加100G以上。今年早些时候，三星电子还在美国硅谷开设了一个新的R&D研究实验室，专注于下一代3D DRAM芯片的开发。能看到，三星电子聚焦3D DRAM市场，一直在开发新技术。在近日举行的Memcon 2024上，三星电子再次公布了其关于3D DRAM开发的雄心勃勃计划，并明确表示将在2030年前实现这一技术的商业化。图源 Semiconductor Engineering三星电子副社长李时宇在会上详细介绍了4F2 Square VCT DRAM及3D DRAM的研发进展，显示出三星在紧凑型高密度内存领域的领先地位。4F2 Square VCT DRAM是一种基于VCT（垂直沟道晶体管）技术的紧凑型DRAM设计。上文提到，4F2 Square VCT DRAM通过垂直堆叠技术，将DRAM单元尺寸比现有的6F2 Square DRAM减少约30%，在提高能效的同时大幅降低了单元面积。然而，实现这一技术并非易事。三星指出，4F2 Square VCT DRAM的开发需要极高的制造精度和更优质的生产材料，还需要解决新材料的应用问题，如氧化沟道材料和铁电体的研发。相较于在DRAM单元结构上向z方向发展的VCT DRAM，三星电子还聚焦在VS-CAT（Vertical Stacked-Cell Array Transistor，垂直堆叠单元阵列晶体管）DRAM上，该技术类似3D NAND一样堆叠多层DRAM。除通过堆叠提升容量外，VS-CAT DRAM 还能降低电流干扰。三星电子预计其将采用存储单元和外围逻辑单元分离的双晶圆结构，因为延续传统的单晶圆设计会带来严重的面积开销。在分别完成存储单元晶圆和逻辑单元晶圆的生产后，需要进行晶圆对晶圆（W2W）混合键合，才能得到 VS-CAT DRAM成品。据悉，目前三星电子已在内部实现了16层堆叠的VS-CAT DRAM。三星电子还在会议上探讨了将BSPDN背面供电技术用于3D DRAM内存的可能性，认为该技术有助于于未来对单个内存bank的精细供电调节。尽管东京电子预测VCT DRAM的商用化要到2027年才能实现，但三星内部对3D DRAM的商业化充满信心，计划在2025年内部发布4F2 Square工艺，并逐步推进3D DRAM的研发，预计在2030年之前推出市场。SK海力士：聚焦3D DRAM新一代沟道材料SK海力士也在积极研发3D DRAM。SK海力士表示，3D DRAM可以解决带宽和延迟方面的挑战，并已在2021年开始研究。据韩媒Business Korea去年的报道，SK海力士提出了将IGZO作为3D DRAM的新一代沟道材料。IGZO是由铟、镓、氧化锌组成的金属氧化物材料，大致分为非晶质IGZO和晶化IGZO。其中，晶化IGZO是一种物理、化学稳定的材料，在半导体工艺过程中可保持均匀的结构，SK海力士研究的正是这种材料，其最大优势是其低待机功耗，这种特点适合要求长续航时间的DRAM芯晶体管，改善DRAM的刷新特性。据透露，SK海力士将会在今年披露3D DRAM电气特性的相关细节，到时候公司将会明确3D DRAM的发展方向。美光：专利数量遥遥领先3D DRAM领域的技术竞争正在加剧。据TechInsights称，美光在2019年就开始了3D DRAM的研究工作。截止2022年8月，美光已获得了30多项3D DRAM专利。相比之下，美光专利数量是三星和SK海力士这两家韩国芯片制造商的两三倍。在2022年9月接受采访的时候，美光公司确认正在探索3D DARM的方案。美光表示，3D DRAM正在被讨论作为继续扩展DRAM的下一步。为了实现3D DRAM，整个行业都在积极研究，从制造设备的开发、先进的ALD、选择性气相沉积、选择性蚀刻，再到架构的讨论。美光的3D DRAM方案，网上并没有看到太多介绍。不过据Yole强调，美光提交了与三星电子不同的3D DRAM专利申请。美光的方法是在不放置Cell的情况下改变晶体管和电容器的形状。除此以外，Applied Materials和Lam Research等全球半导体设备制造商也开始开发与3D DRAM相关的解决方案。NEO：推出3D X-DRAM技术除了存储三巨头之外，还有行业相关公司也在进行3D DRAM的开发。例如，美国存储器技术公司NEO Semiconductor推出了一种名为3D X-DRAM的技术，旨在克服DRAM的容量限制。3D X-DRAM的单元阵列结构类似于3D NAND Flash，采用了FBC（无电容器浮体单元）技术，它可以通过添加层掩模形成垂直结构，从而实现高良率、低成本和显著的密度提升。图源：NE... PC版： 手机版：

斯坦福研究人员借助新材料研发出通用存储器 有助于搭建超高效内存矩阵

斯坦福研究人员借助新材料研发出通用存储器 有助于搭建超高效内存矩阵 内存技术的创新斯坦福大学的研究人员证明，一种新材料可使相变存储器（依靠在高低电阻状态之间切换来创建计算机数据的1和0）成为未来人工智能和以数据为中心的系统的改进选择。最近，《自然-通讯》（Nature Communications）杂志详细介绍了他们的可扩展技术，该技术具有快速、低功耗、稳定、持久的特点，并且可以在与商业制造兼容的温度下制造。斯坦福大学电子工程系 Pease-Ye 教授兼材料科学与工程特聘教授 Eric Pop 说："我们不仅仅是在提高耐力或速度等单一指标，而是在同时提高多个指标。这是我们在这一领域建立的最现实、最适合工业的东西。我想把它看作是向通用存储器迈出的一步。"相变存储器件在高电阻和低电阻状态下的截面图。底部电极的直径约为 40 纳米。箭头标记了超晶格材料层之间形成的一些范德华（vdW）界面。超晶格在高电阻态和低电阻态之间被破坏和重构。 图源：波普实验室提供提高计算效率如今的计算机在不同的位置存储和处理数据。易失性内存（速度快，但在计算机关机时就会消失）负责处理数据，而非易失性内存（速度不快，但可以在不持续输入电源的情况下保存信息）负责长期数据存储。当处理器等待检索大量数据时，在这两个位置之间转移信息会造成瓶颈。论文的共同第一作者、Pop 和 Philip Wong（工程学院 Willard R. and Inez Kerr Bell 教授）共同指导的博士候选人吴向进（音译）说："来回穿梭数据需要耗费大量能源，尤其是在当今的计算工作负载下。有了这种存储器，我们希望能把存储器和处理过程更紧密地结合在一起，最终整合到一个设备中，从而减少能耗和时间"。要实现一种有效的、商业上可行的通用存储器，既能进行长期存储，又能进行快速、低功耗处理，同时又不牺牲其他指标，还存在许多技术障碍，但波普实验室开发的新型相变存储器是迄今为止任何人在这项技术上取得的最接近目标的成果。研究人员希望它能激励人们进一步开发和采用这种通用存储器。GST467 合金的承诺这种存储器依赖于 GST467，这是一种由四份锗、六份锑和七份碲组成的合金，由马里兰大学的合作者开发。Pop 和他的同事找到了在超晶格中将这种合金夹在其他几种纳米薄材料之间的方法，他们以前曾用这种分层结构取得过良好的非易失性存储器效果。"GST467 的独特成分使其开关速度特别快，"在 Pop 实验室获得博士学位的 Asir Intisar Khan 说，他是这篇论文的共同第一作者。"将它集成到纳米级器件的超晶格结构中，可以实现低开关能量，为我们提供了良好的耐久性、非常好的稳定性，并使其具有非易失性它的状态可以保持 10 年或更长的时间。"设定新标准GST467 超晶格通过了几项重要的基准测试。相变存储器有时会随时间发生漂移，即 1 和 0 的值会缓慢移动，但他们的测试表明，这种存储器非常稳定。它的工作电压也低于 1 伏（这是低功耗技术的目标），而且速度明显快于一般的固态硬盘。Pop 说："其他几种非易失性存储器的速度可能更快一些，但它们的工作电压更高，功耗更大。所有这些计算技术都需要在速度和能耗之间做出权衡。我们能在低于一伏特的电压下以几十纳秒的速度进行切换，这一点非常重要。"超晶格还能在狭小的空间内容纳大量的记忆细胞。研究人员将记忆单元的直径缩小到 40 纳米，不到冠状病毒大小的一半。由于超晶格的制造温度较低，而且采用了先进的制造技术，因此这种方法是可行的。制造温度远远低于所需要的温度。研究人员正在讨论将存储器堆叠成数千层，以提高密度。这种存储器可以实现未来的3D分层。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

长鑫存储GAA技术可适用3纳米芯片

长鑫存储GAA技术可适用3纳米芯片 存储器DRAM芯片制造商长鑫存储（CXMT），在旧金山举行的第69 届IEEE 国际电子元件年会（IEDM）上发表了一篇论文，展示了环绕式闸极结构（GAA）技术，适用于尖端3纳米级芯片。 长鑫存储发表声明称，该论文描述了与DRAM结构和4F2设计可行性相关的基础研究，与长鑫存储当前的生产工艺无关，暗示该设计纸张还远未成为一种适销对路的产品。