生产 RRAM遇到的挑战和机遇
电阻式内存技术涉及简单的双端装置，可集成于后端金属层，通过一种卓越的解决方案来应对密度、容量和成本方面的挑战。...
电阻式内存技术涉及简单的双端装置，可集成于后端金属层，通过一种卓越的解决方案来应对密度、容量和成本方面的挑战。分析人士和其他领先专家普遍认为，非易失性电阻式随机存取内存（RRAM）在成本、生产工艺和总体系统性能方面拥有十分显著的优势，是最有可能取代 NAND 的一种技术。毫无疑问，当前的 NAND 技术在 1Y 节点上存在“缩放”（scaling）局限。尽管有人考虑用 3D-NAND 取而代之，实现持续的成本降低和缩放，但是这种技术存在单元性能问题，开态/关态电流比（on/off ratio）也比较差，因此会增加系统的复杂性。
挑战一种技术要想在 3D 架构方面取得成功，它就必须相较于当前的闪存解决方案，大幅度提高存储密度并降低单位成本，与此同时，其存储单元的性能也必须优于现有的存储单元。如果这两个方面的要求不能满足，那么 3D 内存就不符合客户在设计下一代产品时的容量、密度和成本期望。
一个典型的、可生产的 3D 内存架构必须满足三个先决条件，才称得上具有成本效益和可缩放性。第一，内存阵列必须单片集成于控制电路，在技术节点上使用最小的 CMOS 晶体管，并采用最紧凑的节距。它还必须考虑热负载因素，这样增加内存单元时才不会影响到 CMOS。而且在实施多层单元时，顶层的内存单元不得影响底层。
3D 内存的第二个先决条件就是，它必须能够缩放。为此，内存必须考虑单元扩展的物理局限和装置性能问题。一般来说，将内存单元缩小至较小尺寸会降低其性能标准。基于电子的装置尤其如此。
最后，该技术必须能够堆栈，并可简便地集成于 3D 架构。这样内存制造商就能够通过一个芯片提供几个 TB 的存储容量。
目前的3D 内存实施工作基于现有 2D 闪存的缩小和堆栈。不过，要想有效地实现这种方法，我们必须克服三大问题。由于 2D 闪存单元基于电子，并且每个单元的电子数量有限，因此控制好单元以实现MLC 非常困难。为了完成这个任务，基本单元必须得到改善，或者控制器必须更加先进。缩小单元变得日益困难，因为电子数量会进一步减少。所以，提高密度的唯一办法就是增加堆栈的层数。
如果目前的存储单元必须进行堆栈才能够提高密度，那么主要问题便是：50 多个交替变换层的垂直沟槽蚀刻成本，以及工厂的定制工具和资本支出。3D 内存解决方案的挑战可归纳为下表 1。
表1：3D 内存解决方案的挑战
从单元的角度来看，即使装置面积缩小时，电阻式内存元件也拥有同样多的开态电流，但关态电流将会减少。开态/关态电流比通常为数百至一千以上，因此还可以提高感应率，从而能够通过不那么复杂的 CMOS 外围电路进行感应，并能够在更小的技术节点上实现多层单元（MLC）。基于纤维丝的电阻式内存元件使得存储单元能够缩小到10nm 以下。
我们可以通过后端集成十分轻松地实现电阻式内存的堆栈。
图 2 显示的是 RRAM 实施例对比当前的 3D NAND 实施例。这种方法的优点和缺点如下表 2 所示。
在 3D 集成方面，电阻式内存的一个主要挑战是：能够选择特定的单元，同时抑制周围单元的噪声。这个问题可以通过“选择器”（selector）来解决，它能够抑制其他单元的漏电流或潜通路电流。随着选择器的改进，通过相同存取晶体管访问或控制的电阻器数量将不断增长。
电阻式内存的 3D 实施与选择装置的改进有着密不可分的关系。我们可以通过许多方式来实施选择器，既可以作为独立的元件，也可以作为内在的单元特性。通过一个晶体管控制多个 RRAM 单元时（1TnR），内存阵列下面的区域得以释放出来，可以在内存阵列下面直接放置外围电路，从而减小模具的尺寸和成本。
通过电阻式内存元件生产 3D 内存有一个重要的优势，即：无须新建内存工厂。当前的逻辑晶圆厂只须对现有设备进行极小的修改，就能够生产电阻式内存。因此，电阻式内存不需要全新的工具，无需大规模的资本支出（否则需要花费两倍于当前内存晶圆厂的成本），而且安装工具可支持多个堆栈层以及 3D 导孔的蚀刻和清理。这是一个巨大的成本优势，使得电阻式内存的生产易如反掌。
总结NAND 闪存技术服务于存储应用市场几十年了，随着该技术的不断发展，市场对它的依赖性可谓与日俱增。不过，最近几年，它的进一步发展却碰了壁，暴露出深刻的局限性。
目前大家公认为，该技术扩展至 25nm 以下时，其性能和可靠性将会大幅度下降，从而导致系统控制器的开销复杂性和计算能力要求提高。系统制造商和 NAND 闪存制造商开始探索各种新的存储解决方案。其中，电阻式内存是最有发展前途的存储技术。
与 2D NAND 相比，这种突破性的内存技术拥有显著的优势：尺寸缩小时性能反而提高，能够通过低于3 伏的存取晶体管实现MLC 性能，并且采用可堆栈的架构，便于 3D 集成。有了这些突破性的特点，电阻式内存就能够为存储系统提供卓越的密度、性能和可靠性，满足下一代装置和用户的需求。
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