面向纳电子时代的非易失性存储器

面向纳电子时代的非易失性存储器

　摘要

　　目前主流的基于浮栅闪存技术的非易失性存储器（NVM）技术有望成为未来几年的参考技术。但是，闪存本身固有的技术和物理局限性使其很难再缩小技术节点。在这种环境下，业界试图利用新材料和新概念发明一种更好的存储器技术，以替代闪存技术，更有效地缩小存储器，提高存储性能。这篇文章将分析新的主要的基于无机材料的非易失性存储器技术，如铁电存储器 (FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)和相变存储器(PCM)，以及主要的基于铁电或导电开关聚合物等有机材料的创新存储器概念。最后，我们重点探讨相变存储器技术，因为该技术最有可能成为下一代非易失性存储器技术，同时我们将分析相变存储器技术的主要特性和最新的发展状况。

　　前言

　　在高速成长的非易失性存储器（NVM）市场的推动下，十年来，世界上出现了几项具有突破性的存储器技术，使业界标准技术被淘汰出局，并扩大了闪存技术的应用领域[1]。业内广泛接受的观点是，任何一项技术如果取得成功，就会在未来十年内变为产品。目前，业界对两大类全新的非易失性存储器进行了可行性调研，其中一类是基于无机材料的存储器技术，如铁电存储器(FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)或相变存储器(PCM)，另一类存储器技术则基于有机材料，铁电或导电开关聚合物。值得注意的是，眼看这个十年就要结束，在这些接替闪存的非易失性存储器当中，只有相变存储器具备进入广阔市场的能力表现，被视为下一个十年的主流存储器技术。

　　替代闪存的非易失性存储器

　　在目前已调研的两大类新的非易失性存储器技术中，基于铁电或导电开关聚合体的有机材料的存储器技术还不成熟，处于研发阶段。某些从事这类存储器材料研究的研发小组开始认为，这个概念永远都不会变成真正的产品。事实上，使这些概念符合标准CMOS集成要求及其制造温度，还需要解决几个似乎难以逾越的挑战。另一方面，业界对基于无机材料的新非易失性存储器概念的调研时间比较长，并在过去几年发布了几个产品原型。

　　早在上个世纪90年代就出现了FeRAM技术概念。虽然在研究过程出现过很多与新材料和制造模块有关的技术难题，但是，经过十年的努力，即便固有的制程缩小限制，技术节点远远高于闪存，铁电存储器现在还是实现了商业化。这个存储器概念仍然使用能够被电场极化的铁电材料。温度在居里点以下时，立方体形状出现晶格变形，此时铁电体发生极化；温度在居里点以上时，铁电材料变成顺电相。到目前为止，业界已提出多种FeRAM单元结构（如图1所示），这些结构属于两种方法体系，一种是把铁电材料集成到一个单独的存储元件内，即铁电电容器内（在双晶体管/双电容(2T2C)和单晶体管/单电容(1T1C)两种元件内集成铁电材料的方法）[2]，另一种是把铁电材料集成到选择元件内，即铁电场效应晶体管[3]内。所有的FeRAM架构都具有访存速度快和真证的随机访问所有存储单元的优点。今天，FeRAM技术研发的主攻方向是130nm制程的64Mb存储器[4]。

图1 – FeRAM单元架构方案

　　多年来，磁隧道结(MTJ)存储单元(如图2所示)一直是MRAM研发人员的主要研发工作[5]，MTJ由一个晶体管和一个电阻组成(1T/1R)。这些技术是利用隧道结与磁阻材料整合产生的特殊效应：当施加一个磁场时，电阻就会发生变化。访存速度极快的无损性读取性能是确保高性能、读写次数相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺点是该技术固有的写操作电流过高和技术节点缩小受限。为了克服这两大制约因素，业界最近提出了自旋转移矩RAM(SPRAM)解决方案[6]，这项创新技术是利用自旋转换矩引起的电流感应式开关效应。尽管这一创新方法在一定程度上解决了MRAM的一些常见问题，但是还有很多挑战等待研究人员克服（例如：自读扰动、写次数、单元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb阵列180nm制程的产品[7]。

图2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM单元架构[5]

　　相变存储器

　　PCM是最好的闪存替代技术，能够涵盖不同的非易失性存储器应用领域，满足高性能和高密度两种应用要求。PCM利用温度变化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相态逆变的特性。 基本单元结构由一个晶体管和一个电阻构成(1T/1R)，利用电流引起的焦耳热效应（图3-a）对单元进行写操作，通过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取存储单元。虽然这项技术最早可追溯到上个世纪70年代，但是直到最近人们才重新尝试将其用于非易失性存储器[9]（采用相变合金的光电存储设备取得商业成功，也促进了人们发现性能更优异的相变材料结构的研究活动），相变存储器证明其具有达到制造成熟度的能力[10]。我们在本文后面的表格中比较了相变存储器与其它的成熟的非易失性存储器技术。 融非易失性存储器和DRAM两大存储器的优点于一身，PCM的新特性对新型应用很有吸引力，同时还是一项具有连续性和突破性的存储器技术。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器系统 [11]。具体地讲，在无线系统中，PCM可用作代码执行存储器；PCM可用作可改写只读存储器，保存处理频率最高的数据结构以外的全部数据结构，在固态存储子系统中，保存经常访问的页面；在立即处理数据时，保存更容易管理的数据元素；计算机平台可利用其非易失性。

图3a - PCM原型结构的被写存储单元的自加热示意图[8]

　　PCM的技术发展路线如图4所示。业界利用180nm技术节点开发出了首个芯片测试载具，并验证了此项技术的可行性[12]。BJT选定的单元被高性能和高密度存储器选用，因为单元尺寸可以是~5F2 (其中F是存储单元半节距最小值)。虽然单元尺寸较大(~20F2)，但是集成存储器只需在逻辑制程中增加很少的掩模，成本优势十分突出，因此，MOS选定的单元适用于系统芯片或嵌入式应用[13]。

图4 - PCM技术发展路线图

　　英特尔和意法半导体开发出一款叫做Alverstone的128Mb的90nm相变存储器，该产品现已实现商业化[14]。另外一款 45nm 1Gb PCM产品现已进入高级研发阶段，该产品设计的单元尺寸为5.5F2 (图3-b) [15]。

图3 b - 45nm技术PCM阵列的截面图[15]

　　PCM技术研发将沿着不同的路线并行前进。主流的开发路线将是采用BJT选定的单元，沿着光刻技术发展路线，缩小现有技术架构，提供最小的单元尺寸。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更有吸引力[16]。

　　在存储器架构方面，一条研究主线将是利用真正的交叉点阵列，实现一层以上的存储器叠层。通过在后工序中集成p-n结或肖特基二极管作为选择元件，业界已经提出了不同的解决方法[17-18]。硫系材料特别适合这种堆叠方法，因为在硫系材料堆叠后，其相变特性（像Ge2Sb2Te5）可以构成存储器元件，同时其电子开关特性（像OTS）构成选择元件[19]（图5）。在这种情况下，单元尺寸可以达到4F2，位大小是单元尺寸的几分之一，具体大小取决于叠层数量[19]，这项技术适用于高密度存储器，特别是存储应用。

图5 - 一层采用CMOS技术全集成的交叉点PCM阵列

　　总之，现有的技术成熟度，技术节点缩小能力，更广泛的应用范围，而且新材料和新架构可进一步扩大应用范围，这一切为相变存储器技术未来十年在存储器市场发挥重要作用铺平了道路。