相变存储器的工作原理和技术特点

近年来，非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大进展，为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机，采用新型非易失性存储技术来替代传统的存储技术可以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新型存储器技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注，本文介绍相变存储器的工作原理、技术特点及其国内外最新研究进展。

一、相变存储器的工作原理

相变存储器（Phase Change Random Access Memory， 简称PCRAM）的基本结构如图1所示，相变存储器的基本存储原理是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号，使相变材料发生物理相态的变化，即晶态（低阻态）和非晶态 （高阻态）之间发生可逆相变互相转换，从而实现信息的写入 （“1”）和擦除（“0”）操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程，其中前者被称为非晶化过程，后者被称为晶化过程。然后依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出，这种非破坏性的读取过程，能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。

相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级，使得其具有较高的噪声容限，足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物（英特尔为代表）和含锗、锑、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半导体为代表）。

图1： PCRAM结构示意图

二、相变存储器的技术特点

相变存储器具有很多优点，比如可嵌入功能强、优异的可反复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等。到目前为止，还未发现PCRAM 有明确的物理极限，研究表明相变材料的厚度降至2nm时，器件仍然能够发生相变。因而，PCRAM 被认为是最有可能解决存储技术问题、取代目前主流的存储产品，成为未来通用的新一代非挥发性半导体存储器件之一。

相变存储器提高存储容量的方式有两种：一种是三维堆叠，还有一种是多值技术。英特尔和美光重点突破的是三维堆叠技术，而IBM在多值存储领域取得了突破性进展。

图2：PCRAM突破存储容量的两大技术方向：三维堆叠和多值存储

三维堆叠技术通过芯片或器件在垂直方向的堆叠，可以显著增加芯片集成度，是延续摩尔定律的一种重要技术。交叉堆叠（cross point）的三维存储结构被广泛应用于非易失存储器，英特尔和美光共同研发的3D Xpoint技术，便是一种三维交叉堆叠型相变存储器。当前，三维新型非易失存储器的研究主要集中在器件和阵列层面。与传统的二维存储器不同，三维相变存储器采用了新型的双向阈值开关（Ovonic Threshold Switch，OTS）器件作为选通器件（selector）。根据OTS器件的物理特性和三维交叉堆叠阵列结构的特点，三维交叉堆叠型相变存储器采用一种V/2偏置方法以实现存储单元的操作。

IBM是相变存储器多值存储技术的推进者，其每个存储单元都能长时间可靠地存储多个字节的数据。为了实现多位存储，IBM的科学家开发出了两项创新性的使能技术：一套不受偏移影响单元状态测量方法以及偏移容错编码和检测方案。更具体地说，这种新的单元状态测量方法可测量PCRAM单元的物理特性，检测其在较长时间内是否能保持稳定状态，这样的话其对偏移就会不敏感，而偏移可影响此单元的长期电导率稳定性。为了实现一个单元上所储存的数据在环境温度波动的情况下仍能获得额外的稳健性（additional robustness），IBM的科学家采用了一种新的编码和检测方案。这个方案可以通过自适应方式修改用来检测此单元所存储数据的电平阈值，使其能随着温度变化引起的各种波动而变化。因此，这种存储器写入程序后，在相当长的时间内都能可靠地读取单元状态，从而可提供较高的非易失性。

三、国内外相变存储器的最新研究进展

目前国内外有不少企业和科研机构都在研究相变存储器，但由于PCRAM技术还有很多难点有待攻克，故大多机构的研发进展并不顺利，国外PCRAM知识产权主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所垄断，能实现小规模量产的只有三星、美光等海外大公司，以及国内中科院上海微系统所与信息技术研究所。近期IBM方宣称其在PCRAM领域取得了重大突破，其使用能够以多种不同的电阻级别来实现每单元3 bit（即8个电阻级别）的容纳能力，其速度比NAND快70倍，读取延迟仅为1微秒，是DRAM的十倍，写入周期长达100万次。

图3：国外PCRAM的主要研发机构

国内目前对PCRAM技术的研究机构主要有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、华中科技大学等。中国科学院上海微系统与信息技术研究所发现了比国际量产的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相变存储材料;自主研发了具有国际先进水平的双沟道隔离的4F2高密度二极管技术;开发出了我国第一款8Mb PCRAM试验芯片;所开发的基于0.13umCMOS工艺的打印机用嵌入式PCRAM产品已获得首个750万颗的订单;所开发的基于40nm高密度二极管技术、具有最小单元尺寸的自读存储器已经开始送样;所研制的40nm节点PCRAM试验芯片的单元成品率最高达99.999%以上，甚至有不加修正4Mb、64Mb PCRAM芯片，现已提供客户在先进信息系统上试用。华中科技大学研制成功容量为1Mb的PCRAM芯片，相变速度达到同期全球最快（0.2ns）。