几种新型非易失性存储器

摘  要： 本文简单介绍了铁电存储器、磁性随机存储器和相变存储器这三种比较有发展潜力存储器的原理、研究进展及存在的问题等。

引言
更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时问、更低成本和更高可靠性是存储器设计和制造者追求的永恒目标。根据这一目标，人们研究各种存储技术，以满足应用的需求。本文对目前几种比较有竞争力和发展潜力的新型非易失性存储器做了一个简单的介绍。

图1 MTJ元件结构示意图

铁电存储器(FeRAM)
铁电存储器是一种在断电时不会丢失内容的非易失存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。
当前应用于存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列，包括PbZr1-xTixO3，SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。铁电存储器的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性，按工作模式可以分为破坏性读出(DRO)和非破坏性读出(NDRO)。DRO模式是利用铁电薄膜的电容效应，以铁电薄膜电容取代常规的存储电荷的电容，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取。铁电随机存取存储器(FeRAM)就是基于DRO工作模式。这种破坏性的读出后需重新写入数据，所以FeRAM在信息读取过程中伴随着大量的擦除/重写的操作。随着不断地极化反转，此类FeRAM会发生疲劳失效等可靠性问题。目前，市场上的铁电存储器全部都是采用这种工作模式。NDRO模式存储器以铁电薄膜来替代MOSFET中的栅极二氧化硅层，通过栅极极化状态(±Pr)实现对来自源—漏电流的调制，使它明显增大或减小，根据源—漏电流的相对大小即可读出所存储的信息，而无需使栅极的极化状态反转，因此它的读出方式是非破坏性的。基于NDRO工作模式的铁电场效应晶体管(FFET)是一种比较理想的存储方式。但迄今为止，这种铁电存储器尚处于实验室研究阶段，还不能达到实用程度。
Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的厂商。该公司刚推出高集成度的FM31系列器件，这些产品集成最新的FeRAM存储器，可以用于汽车电子、消费电子、通信、工业控制、仪表和计算机等领域。Toshiba公司与Infineon公司2003年合作开发出存储容量达到32Mb的FeRAM，该FeRAM采用单管单电容(1T1C)的单元结构和0.2mm工艺制造，存取时间为50ns，循环周期为75ns，工作电压为3.0V或2.5V。Matsushita公司也在2003年7月宣布推出世界上第一款采用0.18mm工艺大批量制造的FeRAM嵌入式系统芯片(SOC)。该公司新开发的这种产品整合了多种新颖的技术，包括采用了独特的无氢损单元和堆叠结构，将存储单元的尺寸减小为原来的十分之一；采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微铁电电容，从而大幅减小了裸片的尺寸，拥有低功耗，工作电压仅为1.1V。2003年初，Symetrix公司向Oki公司授权使用NDRO FeRAM技术，后者采用0.25mm工艺生产NDRO FeRAM。NDRO FeRAM是基于Symetrix称为Trinion单元的新型技术，但是该公司没有披露具体的细节。
FeRAM已成为存储器家族中最有发展潜力的新成员之一。然而，FeRAM的批评者指出，当达到某个数量的读周期之后FeRAM单元将失去耐久性，而且由阵列尺寸限制带来的FeRAM成品率问题以及进一步提高存储密度和可靠性等问题仍然亟待解决。

图2 OUM存储单元结构示意图

磁性随机存储器(MRAM)
从原理上讲，MRAM的设计是非常诱人的，它通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。理论上来说，铁磁体是永久不会失效的，因此它的写入次数也是无限的。在MRAM发展初期所使用的磁阻元件是被称为巨磁阻(GMR)的结构，此结构由上下两层磁性材料，中间夹着一层非磁性材料的金属层所组成。由于GMR元件需较大电流成为无法突破的难点，因此无法达到高密度存储器的要求。与GMR不同的另一种结构是磁性隧道结 (MTJ)，如图1所示。MTJ与GMR元件的最大差异是隔开两层磁性材料的是绝缘层而非金属层。MTJ元件是由磁场调制上下两层磁性层的磁化方向成为平行或反平行来建立两个稳定状态，在反平行状态时通过此元件的电子会受到比较大的干扰，因此反映出较高的阻值；而在平行状态时电子受到的干扰较小得到相对低的阻值。MTJ元件通过内部金属导线所产生的磁场强度来改变不同的阻值状态，并以此记录“0”与“1”的信号。
MRAM当前面临的主要技术挑战就是磁致电阻太过微弱，两个状态之间的电阻只有30%~40%的差异，读写过程要识别出这种差异的话，还有一定的难度。不过，NVE公司于2003年11月宣布，其工程师研制成功迄今为止最高的自旋穿隧结磁阻(SDT)。该公司采用独特材料，室温下在两个稳定状态之间使穿隧磁阻变化超过70%。NVE已向包括Motorola公司在内的几家致力商用化MRAM的公司授权使用其MRAM知识产权。
IBM、Motorola和Infineon等公司的MRAM样品已纷纷出炉，预计2004-2005年MRAM的商用产品将陆续面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1Mb的MRAM芯片，据悉2003年10月该公司向其他公司推出了采用0.18mm工艺的4Mb MRAM样片。Toshiba和NEC公司的联合研究小组计划采用0.25mm磁性隧道结与0.18mm工艺相结合的方式，希望在2005年实现256Mb MRAM的量产。Infineon和IBM公司也在2003年6月联合宣布，他们开发出的高速128Kb MRAM采用0.18mm工艺制作，为目前业界工艺尺寸最小的MRAM产品，有望从2005年开始逐步取代现有的存储器，并获得广泛应用。

相变存储器(OUM)
奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)在1968年发表了第一篇关于非晶体相变的论文，创立了非晶体半导体学。一年以后，他首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据。后来，人们将这一学说称为奥弗辛斯基电子效应。相变存储器是基于奥弗辛斯基效应的元件，因此被命名为奥弗辛斯基电效应统一存储器(OUM)，如图2所示。从理论上来说，OUM的优点在于产品体积较小、成本低、可直接写入(即在写入资料时不需要将原有资料抹除)和制造简单，只需在现有的CMOS工艺上增加2~4次掩膜工序就能制造出来。
OUM是世界头号半导体芯片厂商Intel公司推崇的下一代非易失性、大容量存储技术。Intel和该项技术的发明厂商Ovonyx 公司一起，正在进行技术完善和可制造性方面的研发工作。Intel公司在2001年7月就发布了0.18mm工艺的4Mb OUM测试芯片，该技术通过在一种硫化物上生成高低两种不同的阻抗来存储数据。2003年VLSI会议上，Samsung公司也报道研制成功以Ge2Sb2Te5(GST)为存储介质，采用0.25mm工艺制备的小容量OUM，工作电压在1.1V，进行了1.8x109 读写循环，在1.58x109循环后没有出现疲劳现象。
不过OUM的读写速度和次数不如FeRAM和MRAM，同时如何稳定维持其驱动温度也是一个技术难题。2003年7月，Intel负责非易失性存储器等技术开发的S.K.Lai还指出OUM的另一个问题：OUM的存储单元虽小，但需要的外围电路面积较大，因此芯片面积反而是OUM的一个头疼问题。同时从目前来看，OUM的生产成本比Intel预想的要高得多，也成为阻碍其发展的瓶颈之一。

结语
FeRAM、MRAM和OUM这三种存储器与传统的半导体存储器相比有许多突出的优点，其应用前景十分诱人。近年来，人们对它们的研究己取得了可喜的进展，尤其是FeRAM己实现了初步的商业应用。但它们要在实际应用上取得进一步重大突破，还有大量的研究工作要做。同时存储技术的发展是没有止境的，但是追求更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本和更高可靠性的目标永远不会改变。