相變存儲器的工作原理和最新的研究進(jìn)展

　　近年來(lái)，非易失性存儲技術(shù)在許多方面都取得了一些重大進(jìn)展，為計算機系統的存儲能效提升帶來(lái)了新的契機，采用新型非易失性存儲技術(shù)來(lái)替代傳統的存儲技術(shù)可以適應計算機技術(shù)發(fā)展對高存儲能效的需求。以相變存儲器為代表的多種新型存儲器技術(shù)因具備高集成度、低功耗等特點(diǎn)而受到國內外研究者的廣泛關(guān)注，本文介紹相變存儲器的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其國內外最新研究進(jìn)展。

　　一、相變存儲器的工作原理

　　相變存儲器(Phase Change Random Access Memory, 簡(jiǎn)稱(chēng)PCRAM)的基本結構如圖1所示，相變存儲器的基本存儲原理是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號，使相變材料發(fā)生物理相態(tài)的變化，即晶態(tài)(低阻態(tài))和非晶態(tài) (高阻態(tài))之間發(fā)生可逆相變互相轉換，從而實(shí)現信息的寫(xiě)入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互轉換過(guò)程包含了晶態(tài)到非晶態(tài)的非晶化轉變以及非晶態(tài)到晶態(tài)的晶化轉變兩個(gè)過(guò)程，其中前者被稱(chēng)為非晶化過(guò)程，后者被稱(chēng)為晶化過(guò)程。然后依靠測量對比兩個(gè)物理相態(tài)間的電阻差異來(lái)實(shí)現信息的讀出，這種非破壞性的讀取過(guò)程，能夠確保準確地讀出器件單元中已存儲的信息。

　　相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時(shí)候電阻率差距相差幾個(gè)數量級，使得其具有較高的噪聲容限，足以區分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機構用的比較多的相變材料是硫屬化物(英特爾為代表)和含鍺、銻、碲的合成材料(GST)，如Ge2Sb2Te5(意法半導體為代表)。

　　圖1: PCRAM結構示意圖

　　二、相變存儲器的技術(shù)特點(diǎn)

　　相變存儲器具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可嵌入功能強、優(yōu)異的可反復擦寫(xiě)特性、穩定性好以及和CMOS工藝兼容等。到目前為止，還未發(fā)現PCRAM 有明確的物理極限，研究表明相變材料的厚度降至2nm時(shí)，器件仍然能夠發(fā)生相變。因而，PCRAM 被認為是最有可能解決存儲技術(shù)問(wèn)題、取代目前主流的存儲產(chǎn)品，成為未來(lái)通用的新一代非揮發(fā)性半導體存儲器件之一。

　　相變存儲器提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，還有一種是多值技術(shù)。英特爾和美光重點(diǎn)突破的是三維堆疊技術(shù)，而IBM在多值存儲領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

　　圖2：PCRAM突破存儲容量的兩大技術(shù)方向：三維堆疊和多值存儲

　　三維堆疊技術(shù)通過(guò)芯片或器件在垂直方向的堆疊，可以顯著(zhù)增加芯片集成度，是延續摩爾定律的一種重要技術(shù)。交叉堆疊(cross point)的三維存儲結構被廣泛應用于非易失存儲器，英特爾和美光共同研發(fā)的3D Xpoint技術(shù)，便是一種三維交叉堆疊型相變存儲器。當前，三維新型非易失存儲器的研究主要集中在器件和陣列層面。與傳統的二維存儲器不同，三維相變存儲器采用了新型的雙向閾值開(kāi)關(guān)(Ovonic Threshold Switch，OTS)器件作為選通器件(selector)。根據OTS器件的物理特性和三維交叉堆疊陣列結構的特點(diǎn)，三維交叉堆疊型相變存儲器采用一種V/2偏置方法以實(shí)現存儲單元的操作。

　　IBM是相變存儲器多值存儲技術(shù)的推進(jìn)者，其每個(gè)存儲單元都能長(cháng)時(shí)間可靠地存儲多個(gè)字節的數據。為了實(shí)現多位存儲，IBM的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了兩項創(chuàng )新性的使能技術(shù)：一套不受偏移影響單元狀態(tài)測量方法以及偏移容錯編碼和檢測方案。更具體地說(shuō)，這種新的單元狀態(tài)測量方法可測量PCRAM單元的物理特性，檢測其在較長(cháng)時(shí)間內是否能保持穩定狀態(tài)，這樣的話(huà)其對偏移就會(huì )不敏感，而偏移可影響此單元的長(cháng)期電導率穩定性。為了實(shí)現一個(gè)單元上所儲存的數據在環(huán)境溫度波動(dòng)的情況下仍能獲得額外的穩健性(additional robustness)，IBM的科學(xué)家采用了一種新的編碼和檢測方案。這個(gè)方案可以通過(guò)自適應方式修改用來(lái)檢測此單元所存儲數據的電平閾值，使其能隨著(zhù)溫度變化引起的各種波動(dòng)而變化。因此，這種存儲器寫(xiě)入程序后，在相當長(cháng)的時(shí)間內都能可靠地讀取單元狀態(tài)，從而可提供較高的非易失性。

　　三、國內外相變存儲器的最新研究進(jìn)展

　　目前國內外有不少企業(yè)和科研機構都在研究相變存儲器，但由于PCRAM技術(shù)還有很多難點(diǎn)有待攻克，故大多機構的研發(fā)進(jìn)展并不順利，國外PCRAM知識產(chǎn)權主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所壟斷，能實(shí)現小規模量產(chǎn)的只有三星、美光等海外大公司，以及國內中科院上海微系統所與信息技術(shù)研究所。近期IBM方宣稱(chēng)其在PCRAM領(lǐng)域取得了重大突破，其使用能夠以多種不同的電阻級別來(lái)實(shí)現每單元3 bit(即8個(gè)電阻級別)的容納能力，其速度比NAND快70倍，讀取延遲僅為1微秒，是DRAM的十倍，寫(xiě)入周期長(cháng)達100萬(wàn)次。

　　圖3：國外PCRAM的主要研發(fā)機構

　　國內目前對PCRAM技術(shù)的研究機構主要有中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)等。中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所發(fā)現了比國際量產(chǎn)的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相變存儲材料;自主研發(fā)了具有國際先進(jìn)水平的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術(shù);開(kāi)發(fā)出了我國第一款8Mb PCRAM試驗芯片;所開(kāi)發(fā)的基于0.13umCMOS工藝的打印機用嵌入式PCRAM產(chǎn)品已獲得首個(gè)750萬(wàn)顆的訂單;所開(kāi)發(fā)的基于40nm高密度二極管技術(shù)、具有最小單元尺寸的自讀存儲器已經(jīng)開(kāi)始送樣;所研制的40nm節點(diǎn)PCRAM試驗芯片的單元成品率最高達99.999%以上，甚至有不加修正4Mb、64Mb PCRAM芯片，現已提供客戶(hù)在先進(jìn)信息系統上試用。華中科技大學(xué)研制成功容量為1Mb的PCRAM芯片，相變速度達到同期全球最快(0.2ns)。