硫系化合物相变存储器

硫系化合物是由元素周期表第16族元素组成的合金(旧式元素周期表：第VIA族或第VIB族)。在室温条件下，这些合金的非晶态和晶态都十分稳定。当加热时，硫系化合物可以从非晶态变成晶态，反之亦然。
最近，GST成为一项新的具有突破性的非易失性固态存储器技术PCM的构成要素。事实上，非晶态和晶态具有不同的电阻率。固态PCM的基本原理是利用低电阻率(晶态)和高电阻率(非晶态)分别代表二进制数字1和0。因此，PCM以材料本身的结构状态存储信息，用一个适当的电脉冲信号引起两个(稳定)状态之间的转换。

在基于硅的相变存储器中，不同振幅的电流从加热元器件流出，穿过硫化物材料，利用局部热焦耳效应，改变接触区周围的可写入体积(图1)。经过强电流和快速猝灭，材料被冷却成非晶体状态，导致电阻率增大。切换到非晶体状态通常用时不足100ns，单元的加热时间常量通常仅为几纳秒。恢复接触区的晶体状态，使材料的电阻率变小，需要施加中等强度的电流，脉冲时间较长。存储单元写操作所需的不同电流产生了存储器的直接写操作特性。这种直接写入功能可简化存储器的写操作，提高写性能。读取存储器使用比写入电流低很多的且基本上无焦耳热效应的电流，因为该电流只区别高电阻(非晶体)和低电阻(晶体)状态。

图 1 – PCM技术开发路线图

集现有存储技术的优点于一身

与现有的存储技术相比，PCM将传统存储技术的优点融为一体：闪存的非易失性、RAM的位可修改性、读写速度与标准RAM媲美且优于NOR、NAND或EEPROM存储器。

此外，随着制造技术的不断进步，PCM很容易缩减到更小的几何尺寸，以更低的成本实现更高的密度。全球很多实验室已经使用硫系化合物薄膜证明，基本PCM存储器能够缩减到5nm技术节点。随着PCM存储单元缩小，涉及状态变化的材料体积就会减少，导致功耗降低，写性能提高。相反，DRAM、闪存和EEPROM器件的光刻技术节点很难缩减到32nm以下。受益于硫系薄膜材料的状态控制方法的研究和改进，PCM的耐用性和写入速度预计在近期内会大幅提升。随着光刻技术向尖端技术迈进，PCM每位成本将会大幅度降低。

技术开发路线图

图1所示是恒忆的PCM技术开发路线图。第一个芯片测试载具最初采用的是180nm技术节点，测试结果令人满意。

存储单元包括一个选择器和一个存储元器件。原则上，选择器可以是一个MOS晶体管或者P区是衬底或共地线的p-n-p结(图2)。p-n-p结构可以优化成一个双极结型晶体管(BJT)或一个纯二极管。为了验证单元结构，MOS和BJT/二极管选择器的集成最初都是采用标准180nmCMOS制造技术。基于BJT的解决方案更适用于高性能和高密度应用，而MOS单元则更适合系统芯片或嵌入式系统。在这种情况下，非易失性存储器单元的集成制造只需将很少的附加掩模增加到标准前工序制造工艺，因此，PCM的成本优势明显高于竞争技术。

图 2 – MOS型PCM和双极型PCM单元比较

一款采用90nm制造工艺的128Mb相变存储器(产品名称:Alverstone)已经上市销售(图3)，另一款采用45nm制造工艺的1Gb PCM产品(产品名称：Bonelli)目前正在开发中(图4)。这两款产品均基于BJT型单元的版图设计。

图 3 – 采用90nm制造工艺的129Mb相变存储器

图 4 – 采用45nm制造工艺的1Gb相变存储器

开发一个有效且可靠的存储元器件是PCM的成功关键。恒忆在Alverstone上首次定义并实现了一个创新的“墙壁”结构。在数据保存期限和存储器耐用性方面，Alverstone的可靠性测试结果非常出色，表明这项技术可以满足市场对可靠性的期望和目标，即便在较高的密度节点也是如此。

PCM技术研发将沿着不同的路线并行前进。为使采用BJT的单元沿着光刻技术发展路线达到最小的单元尺寸，主流的开发路线将以现有技术架构的尺寸缩小为基础。除广泛使用的Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一个重要的研究领域，因为这可能会开创全新的应用领域；结晶速度极快或结晶温度更高的合金将会有更好的前景 。

应用领域广阔

从应用角度看，PCM可用于所有的存储器系统，特别适用于消费电子、计算机、通信三合一电子设备的存储系统。PCM特别适用于无线通信系统的代码执行内存。无线通信系统需要一个常驻代码执行内存和小数据结构存储器(表1)。以读取延时短和覆写速度快为亮点，PCM特别适用于无线系统的基带和应用处理。虽然页面比较小，读取速度比DRAM慢，但是还在同一等级上。这个特性使PCM不仅适用于从低密度到高密度的各种无线系统代码执行存储器，还是处理最常用的数据结构的理想存储解决方案。PCM的位可修改功能省去了对块擦除的要求，同时还进一步降低了对DRAM的需求，从而可以降低存储子系统的成本。因为这些技术特色，PCM有望成为一个总体成本最低的可升级的存储器子系统解决方案，同时还能满足市场对高端多媒体无线设备的日益增长的性能需求。

表1 – 相变存储器、浮栅非易失性存储器（EEPROM、NOR闪存和NAND闪存）和DRAM存储器关键特性对比

对于处理频率几乎最高的数据结构，PCM还可在固态存储器子系统内兼做常读存储器，用于保存访问频率很高的页面，在片内处理数据结构时，可用于存储比较容易管理的元素，如奇偶位、坏块表、块页映射表等。通过最大限度降低对NAND闪存的应力，降低系统的总体成本，一颗低容量的PCM可大幅提升系统的可管理性。此外，当很多块内都有被擦除的页且存储子系统接近全满状态时，存储新数据需要多次擦除操作，才能释放空间给新数据。这个特性会进一步降低NAND闪存的可靠性，加快其达到耐用极限的时间。

以位可修改和高耐用性为特色，PCM可满足重负荷使用的固态数据存储子系统的要求。

总之，已取得的技术成熟性、技术节点缩减前景和广泛的应用领域(可能会进一步扩展)正在为PCM技术未来十年在存储器市场上发挥关键作用铺平道路。