面向納電子時代的非易失性存儲器
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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(xiàn)了幾項具有突破性的存儲器技術(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。業(yè)內(nèi)廣泛接受的觀點是，任何一項技術(shù)如果取得成功，就會在未來十年內(nèi)變?yōu)楫a(chǎn)品。目前，業(yè)界對兩大類全新的非易失性存儲器進(jìn)行了可行性調(diào)研，其中一類是基于無機材料的存儲器技術(shù)，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(shù)則基于有機材料，鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合物。值得注意的是，眼看這個十年就要結(jié)束，在這些接替閃存的非易失性存儲器當(dāng)中，只有相變存儲器具備進(jìn)入廣闊市場的能力表現(xiàn)，被視為下一個十年的主流存儲器技術(shù)。
替代閃存的非易失性存儲器
在目前已調(diào)研的兩大類新的非易失性存儲器技術(shù)中，基于鐵電或?qū)щ婇_關(guān)聚合體的有機材料的存儲器技術(shù)還不成熟，處于研發(fā)階段。某些從事這類存儲器材料研究的研發(fā)小組開始認(rèn)為，這個概念永遠(yuǎn)都不會變成真正的產(chǎn)品。事實上，使這些概念符合標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成要求及其制造溫度，還需要解決幾個似乎難以逾越的挑戰(zhàn)。另一方面，業(yè)界對基于無機材料的新非易失性存儲器概念的調(diào)研時間比較長，并在過去幾年發(fā)布了幾個產(chǎn)品原型。
早在上個世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了FeRAM技術(shù)概念。雖然在研究過程出現(xiàn)過很多與新材料和制造模塊有關(guān)的技術(shù)難題，但是，經(jīng)過十年的努力，即便固有的制程縮小限制，技術(shù)節(jié)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃存，鐵電存儲器現(xiàn)在還是實現(xiàn)了商業(yè)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(xiàn)晶格變形，此時鐵電體發(fā)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(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單獨的存儲元件內(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），另一種是把鐵電材料集成到選擇元件內(nèi)，即鐵電場效應(yīng)晶體管內(nèi)。所有的FeRAM架構(gòu)都具有訪存速度快和真證的隨機訪問所有存儲單元的優(yōu)點。今天，F(xiàn)eRAM技術(shù)研發(fā)的主攻方向是130nm制程的64Mb存儲器。
圖1 – FeRAM單元架構(gòu)方案
多年來，磁隧道結(jié)(MTJ)存儲單元(如圖2所示)一直是MRAM研發(fā)人員的主要研發(fā)工作，MTJ由一個晶體管和一個電阻組成(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)施加一個磁場時，電阻就會發(fā)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(shù)相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺點是該技術(shù)固有的寫操作電流過高和技術(shù)節(jié)點縮小受限。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，這項創(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的一些常見問題，但是還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服（例如：自讀擾動、寫次數(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。
圖2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構(gòu)
相變存儲器
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)由一個晶體管和一個電阻構(gòu)成(1T/1R)，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)（圖3-a）對單元進(jìn)行寫操作，通過檢測非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲單元。雖然這項技術(shù)最早可追溯到上個世紀(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器（采用相變合金的光電存儲設(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），相變存儲器證明其具有達(dá)到制造成熟度的能力。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(shù)。 融非易失性存儲器和DRAM兩大存儲器的優(yōu)點于一身，PCM的新特性對新型應(yīng)用很有吸引力，同時還是一項具有連續(xù)性和突破性的存儲器技術(shù)。從應(yīng)用角度看，PCM可用于所有的存儲器系統(tǒng)，特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設(shè)備的存儲器系統(tǒng)。具體地講，在無線系統(tǒng)中，PCM可用作代碼執(zhí)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以外的全部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在固態(tài)存儲子系統(tǒng)中，保存經(jīng)常訪問的頁面；在立即處理數(shù)據(jù)時，保存更容易管理的數(shù)據(jù)元素；計算機平臺可利用其非易失性。
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