非易失性半導(dǎo)體存儲器的相變機制

非易失性存儲器(NVM)在半導(dǎo)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(shè)備的閃存芯片。今后幾年便攜電子系統(tǒng)對非易失性存儲器的要求更高，數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用需要寫入速度極快的高密度存儲器，而代碼執(zhí)行應(yīng)用則要求存儲器的隨機訪存速度更快。

經(jīng)過研究人員對浮柵存儲技術(shù)的堅持不懈的研究，現(xiàn)有閃存的技術(shù)能力在2010年底應(yīng)該有所提升，盡管如此，現(xiàn)在人們越來越關(guān)注有望至少在2020年末以前升級到更小技術(shù)節(jié)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(yè)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(huán)境中，基于第六族元素的某些金屬（硫族化合物）的晶態(tài)和非晶態(tài)的穩(wěn)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(gòu)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(jīng)過加熱器（電阻），到達(dá)硫化物材料，利用局部熱焦耳效應(yīng)，改變接觸區(qū)周圍的可寫入容量（圖1）。在經(jīng)過強電流和快速猝滅后，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率增大。切換到非晶體狀態(tài)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(fù)接觸區(qū)的晶體狀態(tài)，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(chǎn)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(yīng)的電流讀取存儲器，從而可以區(qū)別高電阻（非晶體）和低電阻（晶體）狀態(tài)。

PCM被業(yè)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(jìn)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(tài)隨機訪問存儲器（DRAM）的部分特性，PCM技術(shù)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(shù)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(zhì)顯示制程有望升級到5 nm節(jié)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(xù)到下一個十年期。

采用一項標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)整合PCM概念、存儲單元結(jié)構(gòu)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(jīng)過90 nm制程論證，測試表明性能和可靠性良好。根據(jù)目前已取得的制程整合結(jié)果和對PCM整合細(xì)節(jié)理解水平，下一個開發(fā)階段將是采用升級技術(shù)制造千兆位（Gbit）級別的PCM存儲器。