面向納電子時代的非易失性存儲器

　摘要

　　目前主流的基于浮柵閃存技術的非易失性存儲器（NVM）技術有望成為未來幾年的參考技術。但是，閃存本身固有的技術和物理局限性使其很難再縮小技術節點。在這種環境下，業界試圖利用新材料和新概念發明一種更好的存儲器技術，以替代閃存技術，更有效地縮小存儲器，提高存儲性能。這篇文章將分析新的主要的基于無機材料的非易失性存儲器技術，如鐵電存儲器 (FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)和相變存儲器(PCM)，以及主要的基于鐵電或導電開關聚合物等有機材料的創新存儲器概念。最后，我們重點探討相變存儲器技術，因為該技術最有可能成為下一代非易失性存儲器技術，同時我們將分析相變存儲器技術的主要特性和最新的發展狀況。

　　前言

　　在高速成長的非易失性存儲器（NVM）市場的推動下，十年來，世界上出現了幾項具有突破性的存儲器技術，使業界標準技術被淘汰出局，并擴大了閃存技術的應用領域[1]。業內廣泛接受的觀點是，任何一項技術如果取得成功，就會在未來十年內變為產品。目前，業界對兩大類全新的非易失性存儲器進行了可行性調研，其中一類是基于無機材料的存儲器技術，如鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻存儲器(MRAM)或相變存儲器(PCM)，另一類存儲器技術則基于有機材料，鐵電或導電開關聚合物。值得注意的是，眼看這個十年就要結束，在這些接替閃存的非易失性存儲器當中，只有相變存儲器具備進入廣闊市場的能力表現，被視為下一個十年的主流存儲器技術。

　　替代閃存的非易失性存儲器

　　在目前已調研的兩大類新的非易失性存儲器技術中，基于鐵電或導電開關聚合體的有機材料的存儲器技術還不成熟，處于研發階段。某些從事這類存儲器材料研究的研發小組開始認為，這個概念永遠都不會變成真正的產品。事實上，使這些概念符合標準CMOS集成要求及其制造溫度，還需要解決幾個似乎難以逾越的挑戰。另一方面，業界對基于無機材料的新非易失性存儲器概念的調研時間比較長，并在過去幾年發布了幾個產品原型。

　　早在上個世紀90年代就出現了FeRAM技術概念。雖然在研究過程出現過很多與新材料和制造模塊有關的技術難題，但是，經過十年的努力，即便固有的制程縮小限制，技術節點遠遠高于閃存，鐵電存儲器現在還是實現了商業化。這個存儲器概念仍然使用能夠被電場極化的鐵電材料。溫度在居里點以下時，立方體形狀出現晶格變形，此時鐵電體發生極化；溫度在居里點以上時，鐵電材料變成順電相。到目前為止，業界已提出多種FeRAM單元結構（如圖1所示），這些結構屬于兩種方法體系，一種是把鐵電材料集成到一個單獨的存儲元件內，即鐵電電容器內（在雙晶體管/雙電容(2T2C)和單晶體管/單電容(1T1C)兩種元件內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，即鐵電場效應晶體管[3]內。所有的FeRAM架構都具有訪存速度快和真證的隨機訪問所有存儲單元的優點。今天，FeRAM技術研發的主攻方向是130nm制程的64Mb存儲器[4]。

圖1 – FeRAM單元架構方案

　　多年來，磁隧道結(MTJ)存儲單元(如圖2所示)一直是MRAM研發人員的主要研發工作[5]，MTJ由一個晶體管和一個電阻組成(1T/1R)。這些技術是利用隧道結與磁阻材料整合產生的特殊效應：當施加一個磁場時，電阻就會發生變化。訪存速度極快的無損性讀取性能是確保高性能、讀寫次數相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺點是該技術固有的寫操作電流過高和技術節點縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業界最近提出了自旋轉移矩RAM(SPRAM)解決方案[6]，這項創新技術是利用自旋轉換矩引起的電流感應式開關效應。盡管這一創新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見問題，但是還有很多挑戰等待研究人員克服（例如：自讀擾動、寫次數、單元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb陣列180nm制程的產品[7]。

圖2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構[5]

　　相變存儲器

　　PCM是最好的閃存替代技術，能夠涵蓋不同的非易失性存儲器應用領域，滿足高性能和高密度兩種應用要求。PCM利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態逆變的特性。 基本單元結構由一個晶體管和一個電阻構成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應（圖3-a）對單元進行寫操作，通過檢測非晶相態和多晶相態之間的電阻變化讀取存儲單元。雖然這項技術最早可追溯到上個世紀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器[9]（采用相變合金的光電存儲設備取得商業成功，也促進了人們發現性能更優異的相變材料結構的研究活動），相變存儲器證明其具有達到制造成熟度的能力[10]。我們在本文后面的表格中比較了相變存儲器與其它的成熟的非易失性存儲器技術。 融非易失性存儲器和DRAM兩大存儲器的優點于一身，PCM的新特性對新型應用很有吸引力，同時還是一項具有連續性和突破性的存儲器技術。從應用角度看，PCM可用于所有的存儲器系統，特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設備的存儲器系統 [11]。具體地講，在無線系統中，PCM可用作代碼執行存儲器；PCM可用作可改寫只讀存儲器，保存處理頻率最高的數據結構以外的全部數據結構，在固態存儲子系統中，保存經常訪問的頁面；在立即處理數據時，保存更容易管理的數據元素；計算機平臺可利用其非易失性。

圖3a - PCM原型結構的被寫存儲單元的自加熱示意圖[8]

　　PCM的技術發展路線如圖4所示。業界利用180nm技術節點開發出了首個芯片測試載具，并驗證了此項技術的可行性[12]。BJT選定的單元被高性能和高密度存儲器選用，因為單元尺寸可以是~5F2 (其中F是存儲單元半節距最小值)。雖然單元尺寸較大(~20F2)，但是集成存儲器只需在邏輯制程中增加很少的掩模，成本優勢十分突出，因此，MOS選定的單元適用于系統芯片或嵌入式應用[13]。

圖4 - PCM技術發展路線圖

　　英特爾和意法半導體開發出一款叫做Alverstone的128Mb的90nm相變存儲器，該產品現已實現商業化[14]。另外一款 45nm 1Gb PCM產品現已進入高級研發階段，該產品設計的單元尺寸為5.5F2 (圖3-b) [15]。

圖3 b - 45nm技術PCM陣列的截面圖[15]

　　PCM技術研發將沿著不同的路線并行前進。主流的開發路線將是采用BJT選定的單元，沿著光刻技術發展路線，縮小現有技術架構，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重要的研究領域，因為這可能會開創全新的應用領域；結晶速度極快或結晶溫度更高的合金將會更有吸引力[16]。

　　在存儲器架構方面，一條研究主線將是利用真正的交叉點陣列，實現一層以上的存儲器疊層。通過在后工序中集成p-n結或肖特基二極管作為選擇元件，業界已經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，因為在硫系材料堆疊后，其相變特性（像Ge2Sb2Te5）可以構成存儲器元件，同時其電子開關特性（像OTS）構成選擇元件[19]（圖5）。在這種情況下，單元尺寸可以達到4F2，位大小是單元尺寸的幾分之一，具體大小取決于疊層數量[19]，這項技術適用于高密度存儲器，特別是存儲應用。

圖5 - 一層采用CMOS技術全集成的交叉點PCM陣列

　　總之，現有的技術成熟度，技術節點縮小能力，更廣泛的應用范圍，而且新材料和新架構可進一步擴大應用范圍，這一切為相變存儲器技術未來十年在存儲器市場發揮重要作用鋪平了道路。