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作者：秦文芳（wqin@semi.org） 對(duì)于IC設(shè)計(jì)的同行們來(lái)說(shuō)，如何在提高存儲(chǔ)密度的同時(shí)，又不用將芯片尺寸做得更大？位于日內(nèi)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(kāi)發(fā)了零電容存儲(chǔ)器ZRAM，即Zero Capacitor RAM。ZRAM原理事實(shí)上也就是傳統(tǒng)DRAM的原理：以電容電荷來(lái)儲(chǔ)存0、1信息，不過(guò)結(jié)構(gòu)上異于傳統(tǒng)DRAM。傳統(tǒng)的DRAM是在電路設(shè)計(jì)時(shí)特意設(shè)計(jì)上用來(lái)儲(chǔ)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(yīng)來(lái)充當(dāng)電容（圖1）。 
所謂的副效應(yīng)其實(shí)稱為浮體效應(yīng)（Floating Body Effect），是采用SOI制程后意外產(chǎn)生的效應(yīng)。該效應(yīng)是在上層電路與下層絕緣基板會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，由于是意外產(chǎn)生，且對(duì)上層電路運(yùn)作會(huì)產(chǎn)生不良影響，理應(yīng)積極去除。但是如果運(yùn)用上層電路來(lái)控制該電容，即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(diǎn)就是不使用電容來(lái)保存數(shù)據(jù)，并采用先進(jìn)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(tǒng)DRAM的每一位單元需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電容，而ZRAM不需要電容，只需要一個(gè)晶體管就可以了。這樣一來(lái)的直接結(jié)果就是ZRAM占用的電路面積幾乎等于傳統(tǒng)的一半，而且速度和功耗上也有相應(yīng)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(duì)芯片生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)極為重要。他們不愿為已經(jīng)很復(fù)雜、很精密的工藝添加任何新材料。額外的處理步驟也會(huì)增加成本，而且往往增加幅度很大。 由于使用電容儲(chǔ)存0、1資訊，因此與傳統(tǒng)DRAM一樣，電荷會(huì)隨著時(shí)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(guò)傳統(tǒng)DRAM的記憶密度（原因是省去刻意設(shè)計(jì)的電容，直接取用浮體效應(yīng)所產(chǎn)生的電容），且與現(xiàn)有的CMOS制程相兼容，而缺點(diǎn)則是要使用SOI制程。 ZRAM是一種單晶體管存儲(chǔ)單元。盡管很多公司試圖在SOI襯底上實(shí)現(xiàn)ZRAM，最終還是采用體硅上的finFET或者環(huán)柵（柱子）器件，這對(duì)于DRAM器件制造商來(lái)講具有特別的吸引力。 標(biāo)準(zhǔn)的DRAM單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容組成。為了實(shí)現(xiàn)更大的存儲(chǔ)單元、更多的存儲(chǔ)電荷，電容器的面積需要不斷地增大。因此，為了節(jié)省昂貴的晶圓面積，DRAM廠商在晶體管上方制造電容，由此產(chǎn)生了高深寬比結(jié)構(gòu)。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(guò)使用ZRAM代替 DRAM，可以通過(guò)一個(gè)器件代替兩個(gè)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(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)并且允許更快的技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小。 ZRAM的魅力在于：不用什么特別的半導(dǎo)體，不用結(jié)構(gòu)獨(dú)特的元件，也不用試驗(yàn)性的絕緣體，每個(gè)存儲(chǔ)單元就是一個(gè)晶體管。相比之下，傳統(tǒng)的片上內(nèi)存通常每個(gè)存儲(chǔ)單元使用六個(gè)晶體管。所以可以把5MB的ZRAM內(nèi)存做到僅僅1MB的傳統(tǒng)嵌入式內(nèi)存占用的面積上。這樣可以大大增加芯片上的內(nèi)存數(shù)量，從而提高性能并大幅減小芯片的尺寸和成本。 ZRAM技術(shù)兼顧了半導(dǎo)體行業(yè)的兩個(gè)永遠(yuǎn)的追求：處理速度更快、功耗更低。經(jīng)濟(jì)因素對(duì)ZRAM極為有利，也許未來(lái)會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器領(lǐng)域帶來(lái)革命性的改變。 |
