存储芯片巨头，秀肌肉

12月初，IEDM将于旧金山隆重举行，届时全球领先的芯片公司将会出席这场盛会，并带来他们最新的技术研究和成果。具体到存储方面，最近几个月，我们看到了铠侠、三星、SK海力士和美光等巨头纷纷披露了他们将在这场盛会上披露的技术成果。

我们将其集合如何，方便读者了解存储芯片巨头正在研究的新技术。预先声明，因为当中大部分内容是笔者搜索并编译，所以并不代表事实的全部，仅供参考。

三星全面开花

作为存储行业的龙头，三星在本届IEDM上带来了很多技术展示。

在一篇名为“World-most energy-efficient 14nm automotive eMRAM technology for high-endurance applications”的文章中，三星介绍了一种 14nm 汽车 eMRAM 技术。

三星表示，该技术具有世界最佳的 10 pJ/bit 写入能量和 > 1E12 次循环的高耐久性。三星首先增强了eFlash 型 eMRAM技术，其耐久性为 1E6 次循环，在所有故障模式下实现了 sub-ppm 级比特错误率，并在高达150°C 的温度下实现可靠的读/写操作。

此外，三星还提高了 MTJ 设备的开关效率，实现了 > 1E12 次循环的高耐久性，同时支持automotive grade-1。基于这项技术，在保留时间和耐久性之间进行权衡将实现几乎无限的耐久性。这一突破标志着朝着在广泛应用中采用 eMRAM 迈出了重要一步。

在接下来的论文“ Key Technologies of Scaling Embedded MRAM to 8nm Logic and Beyond for Automotive Application”中，三星则透露，公司展示了与 8nm 逻辑节点兼容的汽车应用嵌入式 MRAM (eMRAM) 的成功开发。

据三星所说在 0.017μm2 的单元上，公司实现了 90% 的良率，这是迄今为止已知的最小尺寸。在 -40°C 至 150°C 的温度范围内实现了写入和读取操作的全部功能，同时满足了汽车应用所需的可靠性标准。

同时，三星还成功地将缩小的单元间距内的短路故障率降低到 0.5ppm。这些结果表明，三星的创新技术有可能扩展到 5nm eMRAM 技术。

在另一篇名为“Ab-initio Screening of Amorphous Chalcogenides for Selector-Only Memory (SOM) through Electrical Properties and Device Reliability”的论文中，三星介绍了用于 SOM 应用的非晶硫族化物传统上仅限于 OTS 选择器中使用的 Ge、As 和 Se 系统。

三星表示，在本研究中，公司首次系统地对适用于 SOM 的三元非晶硫族化物材料进行了基于从头算的筛选。三星还研究了内存窗口机制和影响 VTH 漂移的关键参数，以建立筛选标准。内存窗口和 VTH 漂移之间的权衡关系允许通过成分控制和额外掺杂进行修改。最终，三星从 3888 个样本中确定了 18 个有希望用于未来 3D X 点内存的候选者。

在一篇三星和KAIST合著的，名为“Spatial Charge Trap Engineering with Boron Nitride Barrier for 3D V-NAND Flash Memory”的论文中，三星介绍了利用非晶 BN 能量势垒对 3D V-NAND 闪存器件进行空间电荷陷阱工程。

论文表示，使用 ALD 工艺在 SiN CTL 内插入 1 纳米厚的 BN 层。BN 势垒位于优化位置的 CTL 在存储窗口和电荷保持方面表现出明显的优势。当 CTL 缩小到 4 纳米时，BN 势垒的优势变得更加明显，与相同厚度的纯 SiN CTL 相比，它具有更大的存储窗口、更好的空穴保持能力和更快的擦除速度，这有助于推进 3D V-NAND 闪存器件的 XY 缩放。

在三星和浦项大学合著的论文“Electrically Erasable Oxide-Semiconductor-Channel Charge Trap Flash Memory with Unipolar Operation”中，他们首次展示了电可擦除氧化物半导体通道电荷捕获闪存 (OSCTF) 存储器。

据介绍，为了解决氧化物半导体固有的空穴短缺问题，三星他们反转了栅极堆栈，并在栅极上放置了一个空穴供应器。此外，团队还开发了一种新颖的操作方法，该方法在编程和擦除操作中都采用单极正脉冲来防止通道浮动。采用独特策略的 OSCTF 存储器在 4.9 V 的存储器窗口下表现出完整的编程/擦除操作。这项工作开启了氧化物半导体作为电荷捕获闪存通道材料的潜力。

SK海力士热点不少

除了上述和铠侠合作的论文，搜查IEDM资料库，SK hynix在本届IEDM上也做将发表不少论文。

在一篇名为“Analog Computation in Ultra-High Density 3D FeNAND for TB-level Hyperscale AI Models”的文章中，SK海力士首次演示了超高密度的、用于超大规模 AI 模型模拟计算的 3D铁电 NAND (FeNAND) 阵列。控制栅极堆栈的界面陷阱密度以诱导 3D FeNAND 单元的多级权重电导状态 (≥ 256 级/单元)。然后，确认了高精度 ( 87.8%）。SK海力士表示，公司的 3D FeNAND 阵列将 A-CiM 单元密度提高了 4,000 倍，比 2D 阵列高，因此可以提供 1,000 倍的计算效率（TOPS/mm2）。

在一篇名为“Penta-level charge trap-based 3D NAND flash memory enabled by bi-directional step-pulse-programming and improvement of cell channel process”的论文中，SK海力士则展示了使用 3D 电荷陷阱闪存 (CTF) 单元的 PLC（五级单元，5 位/单元）NAND 闪存。

SK海力士表示，为了实现具有适当单元读取裕度的 PLC 单元分布，程序噪声和短期数据保留 (STDR：program noise and short-term data retention ) 是最具挑战性的因素。为了为 PLC NAND 制作电荷陷阱单元路径，提出了一种名为“双向阶跃脉冲编程 (BSPP：Bi-directional Step-Pulse-Program)”的新编程算法来管理 STDR 效应，并将其应用于我们的第 5 代 4D NAND。BSPP 编程算法比传统算法提高了 67% 的读取窗口。

而在一篇名为“AiMX: Accelerator-in Memory Based Accelerator for Cost-effective Large Language Model Inference ”的特邀论文中，SK海力士介绍了一种内存加速器 (AiM：Accelerator-in-Memory) 设备和基于 AiM 的 LLM 推理加速系统。

SK海力士在论文简介中表示，LLM 推理可分为提示阶段（prompt phase）和响应阶段（response phase)。考虑到 LLM 推理的特点，他们提出了一种分解推理系统，其中提示阶段在高吞吐量 GPU 或 NPU 上执行，响应阶段在 AiM 上执行。使用 AiM 进行单个 GEMV 操作理想情况下可以实现高达 16 倍的性能。

据SK海力士所说，基于 AiM 的加速器原型的测量性能比同类 GPU 高 1.7 倍，最高数据速率下的预期性能高 11.7 倍。

SK海力士还与韩国科学技术院合作了一篇名为“ Transport Properties of Crystalline IGZO Channel Devices: Effects of Cation Disorders, Composition and Dimensions”的论文。

按照他们所说，在这项工作中，SK海力士对晶体 IGZO 沟道器件的传输特性进行了全面研究。公司采用第一性原理方法计算了体积迁移率，结果与实验结果高度一致。

在此成功的基础上，SK海力士开发了一个有效的模型，可以忠实地再现原子计算结果。然后，计算 IGZO 组成空间各个区域的迁移率，并探索从块体到薄体再到纳米线的尺寸变化的影响。最后，结合阳离子无序散射机制，计算了具有 IGZO 通道的纳米线晶体管的电流-电压特性，揭示了无序引起的阈值电压变化。

SK海力士还与与加州大学圣地亚哥分校合作了一篇名为“Filament-free Bulk RRAM with High Endurance and Long Retention for Neuromorphic Few-Shot Learning On-Chip”的论文。

据介绍，批量切换（Bulk switching） RRAM (b-RRAM) 解决了边缘 AI 丝状（filamentary） RRAM 的非理想问题。

在本文中，他们报告了一种无丝状（ filament-free ）和多层 b-RRAM 技术，具有长保留时间和高耐久性。切换堆栈旨在抑制丝状形成并通过调制氧空位分布实现多级切换。顶部电极氧屏障可提高均匀性、保留时间和耐久性。MΩ 级电阻和非线性允许在无选择器交叉开关中实现高精度 MVM 操作。基于树突计算和 BTSP 的少样本学习已在 b-RRAM 交叉开关上实验性地实现。b-RRAM 提供的模拟持续学习提高了系统级超维计算的少样本学习精度。

而在与美光和IMEC合作的论文“ Nb Contacts for Thermally-stable High-performance Logic and Memory Peripheral Transistor”中，他们首次证明 Nb 是一种热稳定接触金属，在 CTLM 和 FinFET 平台中具有低接触电阻率，适用于逻辑和存储器外围应用。Nb 使寄生电阻降低了 35%，同时 DRAM 退火后接触电阻率降低了 3 倍。

铠侠火力全开

据相关报道，Kioxia 工程师将于IEDM 2024期间展示新的 DRAM 存储级内存和 3D-NAND 技术。

该公司与西部数据合资生产 NAND 芯片。该公司不生产 DRAM，但拥有快速的FL6 SSD，该 SSD 被归类为存储级内存 (SCM)，但速度不如已停产的英特尔傲腾技术。Kioxia 表示，SCM 在内存层次结构中处于 DRAM 和 NAND 之间的一个级别，其设计“旨在处理比 DRAM 更大的数据量，并且速度比闪存更快”。

Kioxia 表示，它将推出一种利用氧化物半导体的新型 DRAM，重点是降低功耗、适用于 SCM 应用的更大容量的 MRAM，以及具有卓越位密度和性能的新型 3D NAND 结构。

在 DRAM 领域，南亚科技和铠侠正在联合开发氧化物半导体通道晶体管 DRAM (OCTRAM) 技术。该技术采用全栅 InGaZnO（铟镓锌氧化物）垂直晶体管，氧化物可将漏电流降低到“极低”水平。该晶体管“通过改进制造工艺来提高电路集成度”。在一篇名为“Oxide-semiconductor Channel Transistor DRAM (OCTRAM) with 4F2 Architecture.” 的论文中，铠侠将详细介绍此技术。

4F2 术语指的是 DRAM 存储单元，其中单元面积是特征尺寸 (F) 的四倍。论文摘要称，这种晶体管设计实现了“Ion=15uA/单元 (Vg=2V) 和 Ioff=1aA/单元 (Vg=-1V)。275Mbit OCTRAM 阵列采用 WL 54nm/BL 63nm 间距制造，并在设计的电压范围内成功运行，使其成为未来 4F 2 DRAM 的突破性技术。”

在另一篇名为“Reliable memory operation with low read disturb rate in the world smallest 1Selector-1MTJ cell for 64 Gb cross-point MRAM”的论文中，则分享了SK 海力士和 Kioxia 联合开发的基于MRAM的存储级内存。两家公司表示，他们“通过结合适合大容量的选择器与磁隧道结配对的单元技术，并应用交叉点型阵列的精细加工技术，实现了 MRAM 有史以来最小单元半间距 20.5 纳米的单元读写操作。”

为了应对与小型化单元相关的可靠性下降，两家公司联手采用了“一种利用选择器的瞬态响应并减少读出电路的寄生电容的新型读出方法”。

他们在论文摘要中指出，在 64 Gb 交叉点阵列架构中，展示了可靠的 1 Selector-1MTJ (1S1M) 单元读/写操作，读取干扰率低至 <1E-6。我们使用掺杂 As 的 SiO2选择器（selector ）和垂直磁化MTJ (p-MTJ：perpendicularly magnetized MTJ ) 实现了集成在 20.5 nm 半节距 (HP) 和 20 nm MTJ CD 中的交叉点 1S1M 芯片。利用选择器的瞬态行为以及低电容电路的新型读取方案使我们能够克服在缩放的 1S1M 单元中选择器打开时容易发生的 MTJ 读取干扰。

铠侠在另一篇名为 “Superior Scalability of Advanced Horizontal Channel Flash For Future Generations of 3D Flash Memory”的论文中则介绍了一种新的 3D 结构，以提高可靠性并防止单元性能下降。它水平堆叠 NAND 单元，而不是像目前那样垂直堆叠，这可以抵消垂直堆叠 3D NAND 中层数增加过多时发生的单元性能下降。

他们在论文摘要指出，铠侠提出了一种新颖的架构，即先进的水平通道闪存 (HCF：horizontal channel flash)，它使用本地块互连、交错选择门和采用基于浮栅的电荷存储的存储单元。具有最小化 2F2 单元的 HCF 显示出比具有 6F2 单元的垂直栅极 NAND 设计和具有 4F2 单元的传统 3D 闪存更好的单元效率。此外，HCF 保留了 VG 型设备的优势，其中单元电流与堆叠数量无关。HCF 设备的操作已通过 TCAD 模拟和使用 3D 闪存兼容工艺流程制造的测试载体得到确认。”

写在最后

在IEMD上，除了上述巨头以外，美光也分享了对存储技术的开发，例如在一篇名为“VT window model of the Single-chalcogenide Xpoint Memory (SXM)”的文章中，美光通过专门的实验、基于DFT的原子模型和TCAD模拟，研究了单硫族化物Xpoint存储器（SXM）极性效应背后的物理机制。据美光所说，这是第一个能够解释SXM存储器技术基本功能特性的物理模型。

但在搜索了IEDM介绍之后，美光似乎并没有太多存储技术的介绍。只是在一个对未来展望中，美光相关人员会介绍未来NAND的创新。

希望这些内容，能给您提供参考。

参考链接

https://blocksandfiles.com/2024/10/22/kioxia-developing-new-dram-scm-and-nand-tech/

本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：编辑部，36氪经授权发布。