非易失性半导体存储器的相变机制

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非易失性存储器(NVM)在半导体市场占有重要的地位，这得益于主要应用在手机和其它便携电子设备中的闪存芯片。今后几年便携电子系统对非易失性存储器的要求更高，数据存储应用需要写入速度极快的大容量存储器，而代码执行应用则要求存储器的随机存取速度更快。

经过研究人员对浮栅技术的坚持不懈的研究，现有闪存技术水平在2010年底有可能得到提升。尽管如此，现在人们越来越关注有望至少在2020年以前即可升级到更小技术节点的新式存储器机制和材料。  

目前存在多种不同的可以取代浮栅概念的存储机制，相变存储器（PCM）就是其中最被业界看好的非易失性存储器，具有闪存无法匹敌的读写性能和升级能力。

在室温环境中，基于第六族元素的某些金属（硫族化合物）的晶态和非晶态的稳定性非常好。特别是 GeSbTe，这种遵循伪二元构成方式（在 GeTe 和 Sb2Te3 之间）的合金最被看好（以下简称GST）。  

图1

在基于硅的相变存储器中，不同强度的电流经过加热器（电阻）到达硫化物材料，利用局部焦耳热效应，改变接触区周围的可写入容量（图1）。在经过强电流和快速冷却后，材料被冷却成非晶体状态，导致电阻率增大。切换到非晶体状态通常用时不足100ns，单元的热时间常量通常仅为几纳秒。

若恢复接触区的晶体状态，使材料的电阻率变小，需要施加中等强度的电流，脉冲时间较长。存储单元写入操作所用的不同电流产生了存储器的直接写入特性。这种直接写入功能可简化存储器的写入操作，提高存储器性能。

通过使用比写入电流低很多的且无重要的焦耳热效应的电流读取存储器，则可区别高电阻（非晶体）和低电阻（晶体）状态。

PCM被业界看好是基于两大原因：

第一，存储器功能性增强：改进之处包括更短的随机存取时间、更快的读写速度，以及直接写入、位粒度和高耐读写能力。整合今天的闪存和快速动态随机存储器（DRAM）的部分特性，PCM技术将存储器的功能提升到一个新的水平，最终不仅可以取代闪存，还能替代DRAM的部分用途，如常用操作码保存和高性能磁盘缓存 (图2) 。

图2

存储单元小和可升级的制造工艺是让人们看好PCM的又一个理由。相变物理性质显示制程有望升级到5 nm节点以下，并有可能把闪存所确立的降低成本和提高容量的趋势延续到下一个十年。

将标准CMOS技术与PCM概念、存储单元结构及阵列和芯片测试载具相结合的方案已通过广泛的评估和论证。128 Mb高容量相变存储器原型经过90 nm制程论证，测试结果显示了良好的性能和可靠性。根据目前已取得的制程整合效果和对PCM整合细节的理解水平，下一个开发阶段将是采用升级技术制造千兆位（Gbit）级别的PCM存储器。

作者简介：

Roberto Bez，恒忆研发中心技术开发部研究员，负责相变存储器 (PCM) 的研发工作。Roberto 于1987年加入意法半导体 (STMicroelectronics)。在意法供职的20年间，他曾参与多种非易失性存储技术的开发，重点研究领域是 NOR、NAND和 PCM 等存储技术。

Roberto Bez 毕业于米兰大学 (University of Milan)，获物理学学士学位。他拥有 25 项专利，并在超过 100 种刊物上发表过文章。

参考文献：

1.        G.Atwood and R.Bez, “Current status of chalcogenide phase-change memory”, Device Research Conference (DRC), Santa Barbara (CA), June 20-22, 2005.
2.        R.Bez and G.Atwood, “Chalcogenide Phase Change Memory: Scalable NVM for the Next Decade?” 21st IEEE Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, 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, A 90nm Phase-Change Memory Technology for Stand-Alone Non-Volatile Memory Applications, Symp. on VLSI Tech., 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.Atwood and R.Bez, Self-Aligned ?Trench Phase-Change Memory Cell Architecture for 90nm Technology and Beyond, Proc. ESSDERC 07, pp. 222-225, 2007.
5.        J.E.Brewer, G.Atwood, R.Bez, "Phase change memories" in Nonvolatile Memory Technologies with Emphasis on Flash edited by J.E.Brewer and M.Gill, IEEE Press Series on Microelectronics Systems, Wiley-Interscience,  pag.707-728, 2007.
6.        R.Bez, R.J.Gleixner, F.Pellizzer, A.Pirovano, G.Atwood “Phase Change Memory Cell Concepts and Designs” in Phase Change Materials – Science and Applications edited by S.Roux and M.Wuttig, Springer Verlag,  ISBN: 978-0-387-84873-0 e-ISBN: 978-0-387-84874-7, pag.355-380, 2008.