面向納電子時(shí)代的非易失性存儲器

　摘要

　　目前主流的基于浮柵閃存技術(shù)的非易失性存儲器（NVM）技術(shù)有望成為未來幾年的參考技術(shù)。但是，閃存本身固有的技術(shù)和物理局限性使其很難再縮小技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在這種環(huán)境下，業(yè)界試圖利用新材料和新概念發(fā)明一種更好的存儲器技術(shù)，以替代閃存技術(shù)，更有效地縮小存儲器，提高存儲性能。這篇文章將分析新的主要的基于無機(jī)材料的非易失性存儲器技術(shù)，如鐵電存儲器 (FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)和相變存儲器(PCM)，以及主要的基于鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合物等有機(jī)材料的創(chuàng)新存儲器概念。最后，我們重點(diǎn)探討相變存儲器技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)最有可能成為下一代非易失性存儲器技術(shù)，同時(shí)我們將分析相變存儲器技術(shù)的主要特性和最新的發(fā)展?fàn)顩r。

　　前言

　　在高速成長的非易失性存儲器（NVM）市場的推動下，十年來，世界上出現(xiàn)了幾項(xiàng)具有突破性的存儲器技術(shù)，使業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被淘汰出局，并擴(kuò)大了閃存技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。業(yè)內(nèi)廣泛接受的觀點(diǎn)是，任何一項(xiàng)技術(shù)如果取得成功，就會在未來十年內(nèi)變?yōu)?a target="_blank">產(chǎn)品。目前，業(yè)界對兩大類全新的非易失性存儲器進(jìn)行了可行性調(diào)研，其中一類是基于無機(jī)材料的存儲器技術(shù)，如鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)或相變存儲器(PCM)，另一類存儲器技術(shù)則基于有機(jī)材料，鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合物。值得注意的是，眼看這個十年就要結(jié)束，在這些接替閃存的非易失性存儲器當(dāng)中，只有相變存儲器具備進(jìn)入廣闊市場的能力表現(xiàn)，被視為下一個十年的主流存儲器技術(shù)。

　　替代閃存的非易失性存儲器

　　在目前已調(diào)研的兩大類新的非易失性存儲器技術(shù)中，基于鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合體的有機(jī)材料的存儲器技術(shù)還不成熟，處于研發(fā)階段。某些從事這類存儲器材料研究的研發(fā)小組開始認(rèn)為，這個概念永遠(yuǎn)都不會變成真正的產(chǎn)品。事實(shí)上，使這些概念符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成要求及其制造溫度，還需要解決幾個似乎難以逾越的挑戰(zhàn)。另一方面，業(yè)界對基于無機(jī)材料的新非易失性存儲器概念的調(diào)研時(shí)間比較長，并在過去幾年發(fā)布了幾個產(chǎn)品原型。

　　早在上個世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了FeRAM技術(shù)概念。雖然在研究過程出現(xiàn)過很多與新材料和制造模塊有關(guān)的技術(shù)難題，但是，經(jīng)過十年的努力，即便固有的制程縮小限制，技術(shù)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃存，鐵電存儲器現(xiàn)在還是實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。這個存儲器概念仍然使用能夠被電場極化的鐵電材料。溫度在居里點(diǎn)以下時(shí)，立方體形狀出現(xiàn)晶格變形，此時(shí)鐵電體發(fā)生極化；溫度在居里點(diǎn)以上時(shí)，鐵電材料變成順電相。到目前為止，業(yè)界已提出多種FeRAM單元結(jié)構(gòu)（如圖1所示），這些結(jié)構(gòu)屬于兩種方法體系，一種是把鐵電材料集成到一個單獨(dú)的存儲元件內(nèi)，即鐵電電容器內(nèi)（在雙晶體管/雙電容(2T2C)和單晶體管/單電容(1T1C)兩種元件內(nèi)集成鐵電材料的方法）[2]，另一種是把鐵電材料集成到選擇元件內(nèi)，即鐵電場效應(yīng)晶體管[3]內(nèi)。所有的FeRAM架構(gòu)都具有訪存速度快和真證的隨機(jī)訪問所有存儲單元的優(yōu)點(diǎn)。今天，F(xiàn)eRAM技術(shù)研發(fā)的主攻方向是130nm制程的64Mb存儲器[4]。

圖1 – FeRAM單元架構(gòu)方案

　　多年來，磁隧道結(jié)(MTJ)存儲單元(如圖2所示)一直是MRAM研發(fā)人員的主要研發(fā)工作[5]，MTJ由一個晶體管和一個電阻組成(1T/1R)。這些技術(shù)是利用隧道結(jié)與磁阻材料整合產(chǎn)生的特殊效應(yīng)：當(dāng)施加一個磁場時(shí)，電阻就會發(fā)生變化。訪存速度極快的無損性讀取性能是確保高性能、讀寫次數(shù)相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺點(diǎn)是該技術(shù)固有的寫操作電流過高和技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業(yè)界最近提出了自旋轉(zhuǎn)移矩RAM(SPRAM)解決方案[6]，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)是利用自旋轉(zhuǎn)換矩引起的電流感應(yīng)式開關(guān)效應(yīng)。盡管這一創(chuàng)新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見問題，但是還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服（例如：自讀擾動、寫次數(shù)、單元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb陣列180nm制程的產(chǎn)品[7]。

圖2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構(gòu)[5]

　　相變存儲器

　　PCM是最好的閃存替代技術(shù)，能夠涵蓋不同的非易失性存儲器應(yīng)用領(lǐng)域，滿足高性能和高密度兩種應(yīng)用要求。PCM利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態(tài)逆變的特性。 基本單元結(jié)構(gòu)由一個晶體管和一個電阻構(gòu)成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)（圖3-a）對單元進(jìn)行寫操作，通過檢測非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲單元。雖然這項(xiàng)技術(shù)最早可追溯到上個世紀(jì)70年代，但是直到最近人們才重新嘗試將其用于非易失性存儲器[9]（采用相變合金的光電存儲設(shè)備取得商業(yè)成功，也促進(jìn)了人們發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的相變材料結(jié)構(gòu)的研究活動），相變存儲器證明其具有達(dá)到制造成熟度的能力[10]。我們在本文后面的表格中比較了相變存儲器與其它的成熟的非易失性存儲器技術(shù)。 融非易失性存儲器和DRAM兩大存儲器的優(yōu)點(diǎn)于一身，PCM的新特性對新型應(yīng)用很有吸引力，同時(shí)還是一項(xiàng)具有連續(xù)性和突破性的存儲器技術(shù)。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)備的存儲器系統(tǒng) [11]。具體地講，在無線系統(tǒng)中，PCM可用作代碼執(zhí)行存儲器；PCM可用作可改寫只讀存儲器，保存處理頻率最高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以外的全部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在固態(tài)存儲子系統(tǒng)中，保存經(jīng)常訪問的頁面；在立即處理數(shù)據(jù)時(shí)，保存更容易管理的數(shù)據(jù)元素；計(jì)算機(jī)平臺可利用其非易失性。

圖3a - PCM原型結(jié)構(gòu)的被寫存儲單元的自加熱示意圖[8]

　　PCM的技術(shù)發(fā)展路線如圖4所示。業(yè)界利用180nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開發(fā)出了首個芯片測試載具，并驗(yàn)證了此項(xiàng)技術(shù)的可行性[12]。BJT選定的單元被高性能和高密度存儲器選用，因?yàn)閱卧叽缈梢允莮5F2 (其中F是存儲單元半節(jié)距最小值)。雖然單元尺寸較大(~20F2)，但是集成存儲器只需在邏輯制程中增加很少的掩模，成本優(yōu)勢十分突出，因此，MOS選定的單元適用于系統(tǒng)芯片或嵌入式應(yīng)用[13]。

圖4 - PCM技術(shù)發(fā)展路線圖

　　英特爾和意法半導(dǎo)體開發(fā)出一款叫做Alverstone的128Mb的90nm相變存儲器，該產(chǎn)品現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[14]。另外一款 45nm 1Gb PCM產(chǎn)品現(xiàn)已進(jìn)入高級研發(fā)階段，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的單元尺寸為5.5F2 (圖3-b) [15]。

圖3 b - 45nm技術(shù)PCM陣列的截面圖[15]

　　PCM技術(shù)研發(fā)將沿著不同的路線并行前進(jìn)。主流的開發(fā)路線將是采用BJT選定的單元，沿著光刻技術(shù)發(fā)展路線，縮小現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)，提供最小的單元尺寸。除廣泛使用的 Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一個重要的研究領(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更有吸引力[16]。

　　在存儲器架構(gòu)方面，一條研究主線將是利用真正的交叉點(diǎn)陣列，實(shí)現(xiàn)一層以上的存儲器疊層。通過在后工序中集成p-n結(jié)或肖特基二極管作為選擇元件，業(yè)界已經(jīng)提出了不同的解決方法[17-18]。硫系材料特別適合這種堆疊方法，因?yàn)樵诹蛳挡牧隙询B后，其相變特性（像Ge2Sb2Te5）可以構(gòu)成存儲器元件，同時(shí)其電子開關(guān)特性（像OTS）構(gòu)成選擇元件[19]（圖5）。在這種情況下，單元尺寸可以達(dá)到4F2，位大小是單元尺寸的幾分之一，具體大小取決于疊層數(shù)量[19]，這項(xiàng)技術(shù)適用于高密度存儲器，特別是存儲應(yīng)用。

圖5 - 一層采用CMOS技術(shù)全集成的交叉點(diǎn)PCM陣列

　　總之，現(xiàn)有的技術(shù)成熟度，技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小能力，更廣泛的應(yīng)用范圍，而且新材料和新架構(gòu)可進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，這一切為相變存儲器技術(shù)未來十年在存儲器市場發(fā)揮重要作用鋪平了道路。