面向納電子時(shí)代的非易失性存儲(chǔ)器

　摘要

　　目前主流的基于浮柵閃存技術(shù)的非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)有望成為未來(lái)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(chǔ)器技術(shù)，以替代閃存技術(shù)，更有效地縮小存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)性能。這篇文章將分析新的主要的基于無(wú)機(jī)材料的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，如鐵電存儲(chǔ)器 (FeRAM)、磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)和相變存儲(chǔ)器(PCM)，以及主要的基于鐵電或?qū)щ婇_(kāi)關(guān)聚合物等有機(jī)材料的創(chuàng)新存儲(chǔ)器概念。最后，我們重點(diǎn)探討相變存儲(chǔ)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(chǔ)器技術(shù)，同時(shí)我們將分析相變存儲(chǔ)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(zhǎng)的非易失性存儲(chǔ)器（NVM）市場(chǎng)的推動(dòng)下，十年來(lái)，世界上出現(xiàn)了幾項(xiàng)具有突破性的存儲(chǔ)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(huì)在未來(lái)十年內(nèi)變?yōu)?a target="_blank">產(chǎn)品。目前，業(yè)界對(duì)兩大類(lèi)全新的非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行了可行性調(diào)研，其中一類(lèi)是基于無(wú)機(jī)材料的存儲(chǔ)器技術(shù)，如鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)或相變存儲(chǔ)器(PCM)，另一類(lèi)存儲(chǔ)器技術(shù)則基于有機(jī)材料，鐵電或?qū)щ婇_(kāi)關(guān)聚合物。值得注意的是，眼看這個(gè)十年就要結(jié)束，在這些接替閃存的非易失性存儲(chǔ)器當(dāng)中，只有相變存儲(chǔ)器具備進(jìn)入廣闊市場(chǎng)的能力表現(xiàn)，被視為下一個(gè)十年的主流存儲(chǔ)器技術(shù)。

　　替代閃存的非易失性存儲(chǔ)器

　　在目前已調(diào)研的兩大類(lèi)新的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)中，基于鐵電或?qū)щ婇_(kāi)關(guān)聚合體的有機(jī)材料的存儲(chǔ)器技術(shù)還不成熟，處于研發(fā)階段。某些從事這類(lèi)存儲(chǔ)器材料研究的研發(fā)小組開(kāi)始認(rèn)為，這個(gè)概念永遠(yuǎn)都不會(huì)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(gè)似乎難以逾越的挑戰(zhàn)。另一方面，業(yè)界對(duì)基于無(wú)機(jī)材料的新非易失性存儲(chǔ)器概念的調(diào)研時(shí)間比較長(zhǎng)，并在過(guò)去幾年發(fā)布了幾個(gè)產(chǎn)品原型。

　　早在上個(gè)世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了FeRAM技術(shù)概念。雖然在研究過(guò)程出現(xiàn)過(guò)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(guò)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(chǔ)器現(xiàn)在還是實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。這個(gè)存儲(chǔ)器概念仍然使用能夠被電場(chǎng)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(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)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(chǎng)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(wèn)所有存儲(chǔ)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(chǔ)器[4]。

圖1 – FeRAM單元架構(gòu)方案

　　多年來(lái)，磁隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)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(gè)晶體管和一個(gè)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(gè)磁場(chǎng)時(shí)，電阻就會(huì)發(fā)生變化。訪存速度極快的無(wú)損性讀取性能是確保高性能、讀寫(xiě)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(xiě)操作電流過(guò)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(kāi)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(jiàn)問(wèn)題，但是還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服（例如：自讀擾動(dòng)、寫(xiě)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)晶體管和一個(gè)電阻構(gòu)成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)（圖3-a）對(duì)單元進(jìn)行寫(xiě)操作，通過(guò)檢測(cè)非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲(chǔ)單元。雖然這項(xiàng)技術(shù)最早可追溯到上個(gè)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(chǔ)器[9]（采用相變合金的光電存儲(chǔ)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(dòng)），相變存儲(chǔ)器證明其具有達(dá)到制造成熟度的能力[10]。我們?cè)诒疚暮竺娴谋砀裰斜容^了相變存儲(chǔ)器與其它的成熟的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。 融非易失性存儲(chǔ)器和DRAM兩大存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)于一身，PCM的新特性對(duì)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(chǔ)器技術(shù)。從應(yīng)用角度看，PCM可用于所有的存儲(chǔ)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(chǔ)器系統(tǒng) [11]。具體地講，在無(wú)線系統(tǒng)中，PCM可用作代碼執(zhí)行存儲(chǔ)器；PCM可用作可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)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(chǔ)子系統(tǒng)中，保存經(jīng)常訪問(wèn)的頁(yè)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(tái)可利用其非易失性。

圖3a - PCM原型結(jié)構(gòu)的被寫(xiě)存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)出了首個(gè)芯片測(cè)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(chǔ)器選用，因?yàn)閱卧叽缈梢允莮5F2 (其中F是存儲(chǔ)單元半節(jié)距最小值)。雖然單元尺寸較大(~20F2)，但是集成存儲(chǔ)器只需在邏輯制程中增加很少的掩模，成本優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)出一款叫做Alverstone的128Mb的90nm相變存儲(chǔ)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(jí)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(kāi)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(gè)重要的研究領(lǐng)域，因?yàn)檫@可能會(huì)開(kāi)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(huì)更有吸引力[16]。

　　在存儲(chǔ)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(chǔ)器疊層。通過(guò)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(chǔ)器元件，同時(shí)其電子開(kāi)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(chǔ)器，特別是存儲(chǔ)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(chǔ)器技術(shù)未來(lái)十年在存儲(chǔ)器市場(chǎng)發(fā)揮重要作用鋪平了道路。