非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的相變機(jī)制

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1、河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的相變機(jī)制非易失性存儲(chǔ)器(NVM)在半導(dǎo)體市場(chǎng)占有重要的一席之地，特別是主要用于手機(jī)和其它便攜電子設(shè)備的閃存芯片。今后幾年便攜電子系統(tǒng)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的要求更高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用需要寫入速度極快的高密度存儲(chǔ)器，而代碼執(zhí)行應(yīng)用則要求存儲(chǔ)器的隨機(jī)訪存速度更快。經(jīng)過研究人員對(duì)浮柵存儲(chǔ)技術(shù)的堅(jiān)持不懈的研究，現(xiàn)有閃存的技術(shù)能力在2010年底應(yīng)該有所提升，盡管如此，現(xiàn)在人們?cè)絹碓疥P(guān)注有望至少在2020年末以前升級(jí)到更小技術(shù)節(jié)點(diǎn)的新式存儲(chǔ)器機(jī)制和材料。目前存在多種不同的可以取代浮柵概念的存儲(chǔ)機(jī)制，相變存儲(chǔ)器（PCM

2、）就是其中一個(gè)最被業(yè)界看好的非易失性存儲(chǔ)器，具有閃存無法匹敵的讀寫性能和升級(jí)能力。在室溫環(huán)境中，基于第六族元素的某些金屬（硫族化合物）的晶態(tài)和非晶態(tài)的穩(wěn)定性非常好。特別是GeSbTe合金最被看好，因?yàn)樗袷匾粋€(gè)偽二元構(gòu)成方式（在GeTe和Sb2Te3之間），以下簡(jiǎn)稱GST。在基于硅的相變存儲(chǔ)器中，不同強(qiáng)度的電流經(jīng)過加熱器（電阻），到達(dá)硫化物材料，利用局部熱焦耳效應(yīng)，改變接觸區(qū)周圍的可寫入容量（圖1）。在經(jīng)過強(qiáng)電流和快速猝滅后，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率增大。切換到非晶體狀態(tài)通常用時(shí)不足100ns，單元的熱時(shí)間常量通常僅為幾納秒。若恢復(fù)接觸

3、區(qū)的晶體狀態(tài)，使材料的電阻率變小，需要施加中等強(qiáng)度的電流，脈沖時(shí)間較長(zhǎng)。存儲(chǔ)單元寫入操作所用的不同電流產(chǎn)生了存儲(chǔ)器的直接寫入特性。這種直接寫入功能可簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的寫入操作，提高寫入性能。圖1a：PCM存儲(chǔ)元件的橫截面原理圖河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供圖1b：寫入操作過程中的模擬溫度曲線圖使用比寫入電流低很多的且無重要的焦耳熱效應(yīng)的電流讀取存儲(chǔ)器，從而可以區(qū)別高電阻（非晶體）和低電阻（晶體）狀態(tài)。PCM被業(yè)界看好是因?yàn)閮纱笤?。第一原因是存?chǔ)器功能性增強(qiáng)：這些改進(jìn)之處包括更短的隨機(jī)訪存時(shí)間、更快的讀寫速度，以及直接寫入

4、、位粒度和高耐讀寫能力。整合今天的閃存和快速動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（DRAM）的部分特性，PCM技術(shù)將存儲(chǔ)器的功能提升到一個(gè)新的水平，最終不僅可以取代閃存，還能替代DRAM的部分用處，如常用操作碼保存和高性能磁盤緩存(圖2)。圖2：存儲(chǔ)技術(shù)屬性比較存儲(chǔ)單元小和制造工藝可以升級(jí)是讓人們看好PCM的第二大理由。相變物理性質(zhì)顯示制程有望升級(jí)到5nm節(jié)點(diǎn)以下，有可能把閃存確立的成本降低和密度提高的速度延續(xù)到下一個(gè)十年期。采用一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)整合PCM概念、存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及陣列和芯片測(cè)試載具的方案已通過廣泛的評(píng)估和論證。128Mb高密度相變存儲(chǔ)器原型經(jīng)過90

5、nm制程論證，測(cè)試表明性能和可靠性良好。根據(jù)目前已取得的制程整合結(jié)果和對(duì)PCM整合細(xì)節(jié)理解水平，下一個(gè)開發(fā)階段將是采用升級(jí)技術(shù)制造千兆位（Gbit河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供）級(jí)別的PCM存儲(chǔ)器?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1.G.AtwoodandR.Bez,“Currentstatusofchalcogenidephase-changememory”,DeviceResearchConference(DRC),SantaBarbara(CA),June20-22,2005.2.R.BezandG.Atwood,“Chalcog

6、enidePhaseChangeMemory:ScalableNVMfortheNextDecade?”21stIEEENon-VolatileSemiconductorMemoryWorkshop,p.12,Monterey(Ca),2006.3.F.Pellizzer,A.Benvenuti,B.Gleixner,Y.Kim,B.Johmson,M.Magistretti,T.Marangon,A.Pirovano,R.Bez,G.Atwood,A90nmPhase-ChangeMemoryTechnologyforStand-AloneNo

7、n-VolatileMemoryApplications,Symp.onVLSITech.,pp.122-123,2006.4.A.Pirovano,F.Pellizzer,I.Tortorelli,R.Harrigan,M.Magistretti,P.Petruzza,E.Varesi,D.Erbetta,T.Marangon,F.Bedeschi,R.Fackenthal,G.AtwoodandR.Bez,Self-AlignedμTrenchPhase-ChangeMemoryCellArchitecturefor90nmTechnolog

8、yandBeyond,Proc.ESSDERC07,pp.222-225,2007.5.J.E.Brewer,G.Atwood,R.Be