硫系化合物相變存儲器

硫系化合物是由元素周期表第16族元素組成的合金(舊式元素周期表：第VIA族或第VIB族)。在室溫條件下，這些合金的非晶態(tài)和晶態(tài)都十分穩(wěn)定。當(dāng)加熱時(shí)，硫系化合物可以從非晶態(tài)變成晶態(tài)，反之亦然。
最近，GST成為一項(xiàng)新的具有突破性的非易失性固態(tài)存儲器技術(shù)PCM的構(gòu)成要素。事實(shí)上，非晶態(tài)和晶態(tài)具有不同的電阻率。固態(tài)PCM的基本原理是利用低電阻率(晶態(tài))和高電阻率(非晶態(tài))分別代表二進(jìn)制數(shù)字1和0。因此，PCM以材料本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存儲信息，用一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娒}沖信號引起兩個(gè)(穩(wěn)定)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

在基于硅的相變存儲器中，不同振幅的電流從加熱元器件流出，穿過硫化物材料，利用局部熱焦耳效應(yīng)，改變接觸區(qū)周圍的可寫入體積(圖1)。經(jīng)過強(qiáng)電流和快速猝滅，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(shí)不足100ns，單元的加熱時(shí)間常量通常僅為幾納秒。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(qiáng)度的電流，脈沖時(shí)間較長。存儲單元寫操作所需的不同電流產(chǎn)生了存儲器的直接寫操作特性。這種直接寫入功能可簡化存儲器的寫操作，提高寫性能。讀取存儲器使用比寫入電流低很多的且基本上無焦耳熱效應(yīng)的電流，因?yàn)樵撾娏髦粎^(qū)別高電阻(非晶體)和低電阻(晶體)狀態(tài)。

圖 1 – PCM技術(shù)開發(fā)路線圖

集現(xiàn)有存儲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身

與現(xiàn)有的存儲技術(shù)相比，PCM將傳統(tǒng)存儲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)融為一體：閃存的非易失性、RAM的位可修改性、讀寫速度與標(biāo)準(zhǔn)RAM媲美且優(yōu)于NOR、NAND或EEPROM存儲器。

此外，隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCM很容易縮減到更小的幾何尺寸，以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的密度。全球很多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用硫系化合物薄膜證明，基本PCM存儲器能夠縮減到5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。隨著PCM存儲單元縮小，涉及狀態(tài)變化的材料體積就會減少，導(dǎo)致功耗降低，寫性能提高。相反，DRAM、閃存和EEPROM器件的光刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)很難縮減到32nm以下。受益于硫系薄膜材料的狀態(tài)控制方法的研究和改進(jìn)，PCM的耐用性和寫入速度預(yù)計(jì)在近期內(nèi)會大幅提升。隨著光刻技術(shù)向尖端技術(shù)邁進(jìn)，PCM每位成本將會大幅度降低。

技術(shù)開發(fā)路線圖

圖1所示是恒憶的PCM技術(shù)開發(fā)路線圖。第一個(gè)芯片測試載具最初采用的是180nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，測試結(jié)果令人滿意。

存儲單元包括一個(gè)選擇器和一個(gè)存儲元器件。原則上，選擇器可以是一個(gè)MOS晶體管或者P區(qū)是襯底或共地線的p-n-p結(jié)(圖2)。p-n-p結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化成一個(gè)雙極結(jié)型晶體管(BJT)或一個(gè)純二極管。為了驗(yàn)證單元結(jié)構(gòu)，MOS和BJT/二極管選擇器的集成最初都是采用標(biāo)準(zhǔn)180nmCMOS制造技術(shù)?；贐JT的解決方案更適用于高性能和高密度應(yīng)用，而MOS單元則更適合系統(tǒng)芯片或嵌入式系統(tǒng)。在這種情況下，非易失性存儲器單元的集成制造只需將很少的附加掩模增加到標(biāo)準(zhǔn)前工序制造工藝，因此，PCM的成本優(yōu)勢明顯高于競爭技術(shù)。

圖 2 – MOS型PCM和雙極型PCM單元比較

一款采用90nm制造工藝的128Mb相變存儲器(產(chǎn)品名稱:Alverstone)已經(jīng)上市銷售(圖3)，另一款采用45nm制造工藝的1Gb PCM產(chǎn)品(產(chǎn)品名稱：Bonelli)目前正在開發(fā)中(圖4)。這兩款產(chǎn)品均基于BJT型單元的版圖設(shè)計(jì)。

圖 3 – 采用90nm制造工藝的129Mb相變存儲器

圖 4 – 采用45nm制造工藝的1Gb相變存儲器

開發(fā)一個(gè)有效且可靠的存儲元器件是PCM的成功關(guān)鍵。恒憶在Alverstone上首次定義并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)創(chuàng)新的“墻壁”結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)保存期限和存儲器耐用性方面，Alverstone的可靠性測試結(jié)果非常出色，表明這項(xiàng)技術(shù)可以滿足市場對可靠性的期望和目標(biāo)，即便在較高的密度節(jié)點(diǎn)也是如此。

PCM技術(shù)研發(fā)將沿著不同的路線并行前進(jìn)。為使采用BJT的單元沿著光刻技術(shù)發(fā)展路線達(dá)到最小的單元尺寸，主流的開發(fā)路線將以現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)的尺寸縮小為基礎(chǔ)。除廣泛使用的Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，因?yàn)檫@可能會開創(chuàng)全新的應(yīng)用領(lǐng)域；結(jié)晶速度極快或結(jié)晶溫度更高的合金將會有更好的前景 。

應(yīng)用領(lǐng)域廣闊

從應(yīng)用角度看，PCM可用于所有的存儲器系統(tǒng)，特別適用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信三合一電子設(shè)備的存儲系統(tǒng)。PCM特別適用于無線通信系統(tǒng)的代碼執(zhí)行內(nèi)存。無線通信系統(tǒng)需要一個(gè)常駐代碼執(zhí)行內(nèi)存和小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲器(表1)。以讀取延時(shí)短和覆寫速度快為亮點(diǎn)，PCM特別適用于無線系統(tǒng)的基帶和應(yīng)用處理。雖然頁面比較小，讀取速度比DRAM慢，但是還在同一等級上。這個(gè)特性使PCM不僅適用于從低密度到高密度的各種無線系統(tǒng)代碼執(zhí)行存儲器，還是處理最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理想存儲解決方案。PCM的位可修改功能省去了對塊擦除的要求，同時(shí)還進(jìn)一步降低了對DRAM的需求，從而可以降低存儲子系統(tǒng)的成本。因?yàn)檫@些技術(shù)特色，PCM有望成為一個(gè)總體成本最低的可升級的存儲器子系統(tǒng)解決方案，同時(shí)還能滿足市場對高端多媒體無線設(shè)備的日益增長的性能需求。

表1 – 相變存儲器、浮柵非易失性存儲器（EEPROM、NOR閃存和NAND閃存）和DRAM存儲器關(guān)鍵特性對比

對于處理頻率幾乎最高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，PCM還可在固態(tài)存儲器子系統(tǒng)內(nèi)兼做常讀存儲器，用于保存訪問頻率很高的頁面，在片內(nèi)處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可用于存儲比較容易管理的元素，如奇偶位、壞塊表、塊頁映射表等。通過最大限度降低對NAND閃存的應(yīng)力，降低系統(tǒng)的總體成本，一顆低容量的PCM可大幅提升系統(tǒng)的可管理性。此外，當(dāng)很多塊內(nèi)都有被擦除的頁且存儲子系統(tǒng)接近全滿狀態(tài)時(shí)，存儲新數(shù)據(jù)需要多次擦除操作，才能釋放空間給新數(shù)據(jù)。這個(gè)特性會進(jìn)一步降低NAND閃存的可靠性，加快其達(dá)到耐用極限的時(shí)間。

以位可修改和高耐用性為特色，PCM可滿足重負(fù)荷使用的固態(tài)數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)的要求。

總之，已取得的技術(shù)成熟性、技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮減前景和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域(可能會進(jìn)一步擴(kuò)展)正在為PCM技術(shù)未來十年在存儲器市場上發(fā)揮關(guān)鍵作用鋪平道路。