硫系化合物相變存儲(chǔ)器

硫系化合物是由元素周期表第16族元素組成的合金(舊式元素周期表：第VIA族或第VIB族)。在室溫條件下，這些合金的非晶態(tài)和晶態(tài)都十分穩(wěn)定。當(dāng)加熱時(shí)，硫系化合物可以從非晶態(tài)變成晶態(tài)，反之亦然。
最近，GST成為一項(xiàng)新的具有突破性的非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù)PCM的構(gòu)成要素。事實(shí)上，非晶態(tài)和晶態(tài)具有不同的電阻率。固態(tài)PCM的基本原理是利用低電阻率(晶態(tài))和高電阻率(非晶態(tài))分別代表二進(jìn)制數(shù)字1和0。因此，PCM以材料本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存儲(chǔ)信息，用一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娒}沖信號引起兩個(gè)(穩(wěn)定)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

在基于硅的相變存儲(chǔ)器中，不同振幅的電流從加熱元器件流出，穿過硫化物材料，利用局部熱焦耳效應(yīng)，改變接觸區(qū)周圍的可寫入體積(圖1)。經(jīng)過強(qiáng)電流和快速猝滅，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，單元的加熱時(shí)間常量通常僅為幾納秒。恢復(fù)接觸區(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。存儲(chǔ)單元寫操作所需的不同電流產(chǎn)生了存儲(chǔ)器的直接寫操作特性。這種直接寫入功能可簡化存儲(chǔ)器的寫操作，提高寫性能。讀取存儲(chǔ)器使用比寫入電流低很多的且基本上無焦耳熱效應(yīng)的電流，因?yàn)樵撾娏髦粎^(qū)別高電阻(非晶體)和低電阻(晶體)狀態(tài)。

圖 1 – PCM技術(shù)開發(fā)路線圖

集現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身

與現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)相比，PCM將傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)融為一體：閃存的非易失性、RAM的位可修改性、讀寫速度與標(biāo)準(zhǔn)RAM媲美且優(yōu)于NOR、NAND或EEPROM存儲(chǔ)器。

此外，隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCM很容易縮減到更小的幾何尺寸，以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的密度。全球很多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用硫系化合物薄膜證明，基本PCM存儲(chǔ)器能夠縮減到5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。隨著PCM存儲(chǔ)單元縮小，涉及狀態(tài)變化的材料體積就會(huì)減少，導(dǎo)致功耗降低，寫性能提高。相反，DRAM、閃存和EEPROM器件的光刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)很難縮減到32nm以下。受益于硫系薄膜材料的狀態(tài)控制方法的研究和改進(jìn)，PCM的耐用性和寫入速度預(yù)計(jì)在近期內(nèi)會(huì)大幅提升。隨著光刻技術(shù)向尖端技術(shù)邁進(jìn)，PCM每位成本將會(huì)大幅度降低。

技術(shù)開發(fā)路線圖

圖1所示是恒憶的PCM技術(shù)開發(fā)路線圖。第一個(gè)芯片測試載具最初采用的是180nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，測試結(jié)果令人滿意。

存儲(chǔ)單元包括一個(gè)選擇器和一個(gè)存儲(chǔ)元器件。原則上，選擇器可以是一個(gè)MOS晶體管或者P區(qū)是襯底或共地線的p-n-p結(jié)(圖2)。p-n-p結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化成一個(gè)雙極結(jié)型晶體管(BJT)或一個(gè)純二極管。為了驗(yàn)證單元結(jié)構(gòu)，MOS和BJT/二極管選擇器的集成最初都是采用標(biāo)準(zhǔn)180nmCMOS制造技術(shù)?；贐JT的解決方案更適用于高性能和高密度應(yīng)用，而MOS單元?jiǎng)t更適合系統(tǒng)芯片或嵌入式系統(tǒng)。在這種情況下，非易失性存儲(chǔ)器單元的集成制造只需將很少的附加掩模增加到標(biāo)準(zhǔn)前工序制造工藝，因此，PCM的成本優(yōu)勢明顯高于競爭技術(shù)。

圖 2 – MOS型PCM和雙極型PCM單元比較

一款采用90nm制造工藝的128Mb相變存儲(chǔ)器(產(chǎn)品名稱:Alverstone)已經(jīng)上市銷售(圖3)，另一款采用45nm制造工藝的1Gb PCM產(chǎn)品(產(chǎn)品名稱：Bonelli)目前正在開發(fā)中(圖4)。這兩款產(chǎn)品均基于BJT型單元的版圖設(shè)計(jì)。

圖 3 – 采用90nm制造工藝的129Mb相變存儲(chǔ)器