非易失性半導體存儲器的相變機制
發布時間：2009-12-16 11:27
發布者：嵌入式公社
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非易失性存儲器(NVM)在半導體市場占有重要的一席之地，特別是主要用于手機和其它便攜電子設備的閃存芯片。今后幾年便攜電子系統對非易失性存儲器的要求更高，數據存儲應用需要寫入速度極快的高密度存儲器，而代碼執行應用則要求存儲器的隨機訪存速度更快。 經過研究人員對浮柵存儲技術的堅持不懈的研究，現有閃存的技術能力在2010年底應該有所提升，盡管如此，現在人們越來越關注有望至少在2020年末以前升級到更小技術節點的新式存儲器機制和材料。 目前存在多種不同的可以取代浮柵概念的存儲機制，相變存儲器（PCM）就是其中一個最被業界看好的非易失性存儲器，具有閃存無法匹敵的讀寫性能和升級能力。 在室溫環境中，基于第六族元素的某些金屬（硫族化合物）的晶態和非晶態的穩定性非常好。特別是GeSbTe合金最被看好，因為它遵守一個偽二元構成方式（在GeTe和 Sb2Te3之間），以下簡稱GST。 在基于硅的相變存儲器中，不同強度的電流經過加熱器（電阻），到達硫化物材料，利用局部熱焦耳效應，改變接觸區周圍的可寫入容量（圖1）。在經過強電流和快速猝滅后，材料被冷卻成非晶體狀態，導致電阻率增大。切換到非晶體狀態通常用時不足100ns，單元的熱時間常量通常僅為幾納秒。若恢復接觸區的晶體狀態，使材料的電阻率變小，需要施加中等強度的電流，脈沖時間較長。存儲單元寫入操作所用的不同電流產生了存儲器的直接寫入特性。這種直接寫入功能可簡化存儲器的寫入操作，提高寫入性能。 
圖1a：PCM存儲元件的橫截面原理圖
圖1b：寫入操作過程中的模擬溫度曲線圖 使用比寫入電流低很多的且無重要的焦耳熱效應的電流讀取存儲器，從而可以區別高電阻（非晶體）和低電阻（晶體）狀態。 PCM被業界看好是因為兩大原因。第一原因是存儲器功能性增強：這些改進之處包括更短的隨機訪存時間、更快的讀寫速度，以及直接寫入、位粒度和高耐讀寫能力。整合今天的閃存和快速動態隨機訪問存儲器（DRAM）的部分特性，PCM技術將存儲器的功能提升到一個新的水平，最終不僅可以取代閃存，還能替代DRAM的部分用處，如常用操作碼保存和高性能磁盤緩存 (圖2) 。
圖2：存儲技術屬性比較 存儲單元小和制造工藝可以升級是讓人們看好PCM的第二大理由。相變物理性質顯示制程有望升級到5 nm節點以下，有可能把閃存確立的成本降低和密度提高的速度延續到下一個十年期。 采用一項標準CMOS技術整合PCM概念、存儲單元結構及陣列和芯片測試載具的方案已通過廣泛的評估和論證。128 Mb高密度相變存儲器原型經過90 nm制程論證，測試表明性能和可靠性良好。根據目前已取得的制程整合結果和對PCM整合細節理解水平，下一個開發階段將是采用升級技術制造千兆位（Gbit）級別的PCM存儲器。 【參考文獻】 1. G.Atwood and R.Bez, “Current status of chalcogenide phase-change memory”, Device Research Conference (DRC), Santa Barbara (CA), June 20-22, 2005. 2. R.Bez and G.Atwood, “Chalcogenide Phase Change Memory: Scalable NVM for the Next Decade?” 21st IEEE Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, p.12, Monterey (Ca), 2006. 3. F.Pellizzer, A.Benvenuti, B.Gleixner, Y.Kim, B.Johmson, M.Magistretti, T.Marangon, A.Pirovano, R.Bez, G.Atwood, A 90nm Phase-Change Memory Technology for Stand-Alone Non-Volatile Memory Applications, Symp. on VLSI Tech., pp. 122-123, 2006. 4. A.Pirovano, F.Pellizzer, I.Tortorelli, R.Harrigan, M.Magistretti, P.Petruzza, E.Varesi, D.Erbetta, T.Marangon, F.Bedeschi, R.Fackenthal, G.Atwood and R.Bez, Self-Aligned µTrench Phase-Change Memory Cell Architecture for 90nm Technology and Beyond, Proc. ESSDERC 07, pp. 222-225, 2007. 5. J.E.Brewer, G.Atwood, R.Bez, "Phase change memories" in Nonvolatile Memory Technologies with Emphasis on Flash edited by J.E.Brewer and M.Gill, IEEE Press Series on Microelectronics Systems, Wiley-Interscience, pag.707-728, 2007. 6. R.Bez, R.J.Gleixner, F.Pellizzer, A.Pirovano, G.Atwood “Phase Change Memory Cell Concepts and Designs” in Phase Change Materials – Science and Applications edited by S.Roux and M.Wuttig, Springer Verlag, ISBN: 978-0-387-84873-0 e-ISBN: 978-0-387-84874-7, pag.355-380, 2008. 作者：恒憶研發中心技術開發部研究員Roberto Bez Roberto于1987年加入意法半導體。在任職于ST的20年間，他服務于多個非易失性存儲技術部門，重點研究領域是NOR閃存、NAND閃存及相變存儲（PCM）。Roberto擁有超過25項專利，所著文章曾發表在100多種刊物上。Roberto畢業于米蘭大學（University of Milan），獲得物理學學士學位。 |
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