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作者：秦文芳（wqin@semi.org） 對于IC設計的同行們來說，如何在提高存儲密度的同時，又不用將芯片尺寸做得更大？位于日內瓦湖畔的芯片公司Innovative Silicon似乎找到了好的解決辦法。 這家年輕的瑞士公司開發了零電容存儲器ZRAM，即Zero Capacitor RAM。ZRAM原理事實上也就是傳統DRAM的原理：以電容電荷來儲存0、1信息，不過結構上異于傳統DRAM。傳統的DRAM是在電路設計時特意設計上用來儲存電荷的電容，而ZRAM則直接利用絕緣硅（SOI）制程所加入的絕緣基板的副效應來充當電容（圖1）。 
所謂的副效應其實稱為浮體效應（Floating Body Effect），是采用SOI制程后意外產生的效應。該效應是在上層電路與下層絕緣基板會產生電容效應，由于是意外產生，且對上層電路運作會產生不良影響，理應積極去除。但是如果運用上層電路來控制該電容，即可實現儲存。稍有不同的是，ZRAM是將電容控制在電晶體閘極的下方。 ZRAM的最大特點就是不使用電容來保存數據，并采用先進的SOI工藝，可比處理器緩存常用的嵌入式SRAM得到大得多的密度，能顯著提高處理器緩存容量。傳統DRAM的每一位單元需要一個晶體管和一個電容，而ZRAM不需要電容，只需要一個晶體管就可以了。這樣一來的直接結果就是ZRAM占用的電路面積幾乎等于傳統的一半，而且速度和功耗上也有相應的提高。 ZRAM基本上不需要任何新材料，也不需要制造工藝增加額外的處理步驟。這對芯片生產商來說極為重要。他們不愿為已經很復雜、很精密的工藝添加任何新材料。額外的處理步驟也會增加成本，而且往往增加幅度很大。 由于使用電容儲存0、1資訊，因此與傳統DRAM一樣，電荷會隨著時間逐漸消逝，所以ZRAM等也需要刷新才能保持資訊。在特性上，ZRAM有接近 SRAM的存取速度，以及勝過傳統DRAM的記憶密度（原因是省去刻意設計的電容，直接取用浮體效應所產生的電容），且與現有的CMOS制程相兼容，而缺點則是要使用SOI制程。 ZRAM是一種單晶體管存儲單元。盡管很多公司試圖在SOI襯底上實現ZRAM，最終還是采用體硅上的finFET或者環柵（柱子）器件，這對于DRAM器件制造商來講具有特別的吸引力。 標準的DRAM單元由一個晶體管和一個電容組成。為了實現更大的存儲單元、更多的存儲電荷，電容器的面積需要不斷地增大。因此，為了節省昂貴的晶圓面積，DRAM廠商在晶體管上方制造電容，由此產生了高深寬比結構。并且為了等比例減薄介電材料厚度，還引入了高k值材料。通過使用ZRAM代替 DRAM，可以通過一個器件代替兩個器件，潛在的晶圓加工成本可以降低20～30%。此外，由于ZRAM去除了高深寬比電容以及位線接觸，ZRAM工藝可以更快地實現大批量生產并且允許更快的技術節點縮小。 ZRAM的魅力在于：不用什么特別的半導體，不用結構獨特的元件，也不用試驗性的絕緣體，每個存儲單元就是一個晶體管。相比之下，傳統的片上內存通常每個存儲單元使用六個晶體管。所以可以把5MB的ZRAM內存做到僅僅1MB的傳統嵌入式內存占用的面積上。這樣可以大大增加芯片上的內存數量，從而提高性能并大幅減小芯片的尺寸和成本。 ZRAM技術兼顧了半導體行業的兩個永遠的追求：處理速度更快、功耗更低。經濟因素對ZRAM極為有利，也許未來會對存儲器領域帶來革命性的改變。 |
