非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的相變機(jī)制

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(guò)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?lái)越關(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）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(wú)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(guò)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(guò)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。TopElectrodeResistor**(Heater)Resistor**(Heater)CrystaINne

GSTBottomElectrode圖1a：PCM存儲(chǔ)元件的橫截面原理圖

rnow)rnow)圖化：寫入操作過(guò)程中的模擬溫度曲線圖使用比寫入電流低很多的且無(wú)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（品體）狀態(tài)。PCM被業(yè)界看好是因?yàn)閮纱笤颉５谝辉蚴谴鎯?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、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(wèn)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(guò)廣泛的評(píng)估和論證。128Mb高密度相變存儲(chǔ)器原型經(jīng)過(guò)90nm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(kāi)發(fā)階段將是采用升級(jí)技術(shù)制造千兆位（Gbit）級(jí)別的PCM存儲(chǔ)器?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】GAtwoodandR.Bez,“Currentstatusofchalcogenidephase-changememory”，DeviceResearchConference(DRC),SantaBarbara(CA),June20-22,2005.R.BezandGAtwood,“ChalcogenidePhaseChangeMemory:ScalableNVMfortheNextDecade?”21stIEEENon-VolatileSemiconductorMemoryWorkshop,p.12,Monterey(Ca),2006.F.Pellizzer,A.Benvenuti,B.Gleixner,Y.Kim,B.Johmson,M.Magistretti,T.Marangon,A.Pirovano,R.Bez,GAtwood,A90nmPhase-ChangeMemoryTechnologyforStand-AloneNon-VolatileMemoryApplications,Symp.onVLSITech.,pp.122-123,2006.A.Pirovano,F.Pellizzer,I.Tortorelli,R.Harrigan,M.Magistretti,P.Petruzza,E.Varesi,D.Erbetta,T.Marangon,F.Bedeschi,R.Fackenthal,GAtwoodandR.Bez,Self-AlignedMTrenchPhase-ChangeMemoryCellArchitecturefor90nmTechnologyandBeyond,Proc.ESSDERC07,pp.222-225,2007.J.E.Brewer,GAtwood,R.Bez,"Phasechangememories"inNonvolatileMemoryTechnologieswithEmphasisonFlasheditedbyJ.E.BrewerandM.Gill,IEEEPressSeriesonMicroelectronicsSystems,Wiley-Interscience,pag.707-728,2007.R.Bez,R.J.Gleixner,F.Pellizzer,A.Pirovano,GAtwood“PhaseChangeMemoryCellConceptsandDesigns”inPhaseChangeMaterials-ScienceandApplicationseditedbyS.RouxandM.Wuttig,SpringerVerlag,ISBN:978-0-387-84873-0e-ISBN:978-0-387-84874-7,pag.355-380,2008.關(guān)于作者RobertoBez恒憶研發(fā)中心技術(shù)開(kāi)發(fā)部研究員，負(fù)責(zé)恒憶相變存儲(chǔ)技術(shù)(PCM)的研發(fā)工作。Roberto于1987年加入意法半導(dǎo)體。