面向納電子時(shí)代的非易失性存儲(chǔ)器
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時(shí)間：2016-12-02
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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。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)楫a(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），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)晶體管內(nèi)。所有的FeRAM架構(gòu)都具有訪(fǎng)存速度快和真證的隨機(jī)訪(fǎng)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。
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，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(fǎng)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，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。
圖2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM單元架構(gòu)
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(mǎn)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（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。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)。具體地講，在無(wú)線(xiàn)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(fǎng)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。
評(píng)論