硫系化合物相變存儲器

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)都十分穩定。當加熱時(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成為一項新的具有突破性的非易失性固態(tài)存儲器技術(shù)PCM的構成要素。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)制數字1和0。因此，PCM以材料本身的結構狀態(tài)存儲信息，用一個(gè)適當的電脈沖信號引起兩個(gè)(穩定)狀態(tài)之間的轉換。

在基于硅的相變存儲器中，不同振幅的電流從加熱元器件流出，穿過(guò)硫化物材料，利用局部熱焦耳效應，改變接觸區周?chē)目蓪?xiě)入體積(圖1)。經(jīng)過(guò)強電流和快速猝滅，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，導致電阻率增大。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?；謴徒佑|區的晶體狀態(tài)，使材料的電阻率變小，需要施加中等強度的電流，脈沖時(shí)間較長(cháng)。存儲單元寫(xiě)操作所需的不同電流產(chǎn)生了存儲器的直接寫(xiě)操作特性。這種直接寫(xiě)入功能可簡(jiǎn)化存儲器的寫(xiě)操作，提高寫(xiě)性能。讀取存儲器使用比寫(xiě)入電流低很多的且基本上無(wú)焦耳熱效應的電流，因為該電流只區別高電阻(非晶體)和低電阻(晶體)狀態(tài)。

圖 1 – PCM技術(shù)開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖

集現有存儲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身

與現有的存儲技術(shù)相比，PCM將傳統存儲技術(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(xiě)速度與標準RAM媲美且優(yōu)于NOR、NAND或EEPROM存儲器。

此外，隨著(zhù)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)現更高的密度。全球很多實(shí)驗室已經(jīng)使用硫系化合物薄膜證明，基本PCM存儲器能夠縮減到5nm技術(shù)節點(diǎn)。隨著(zhù)PCM存儲單元縮小，涉及狀態(tài)變化的材料體積就會(huì )減少，導致功耗降低，寫(xiě)性能提高。相反，DRAM、閃存和EEPROM器件的光刻技術(shù)節點(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(xiě)入速度預計在近期內會(huì )大幅提升。隨著(zhù)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(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖

圖1所示是恒憶的PCM技術(shù)開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖。第一個(gè)芯片測試載具最初采用的是180nm技術(shù)節點(diǎn)，測試結果令人滿(mǎn)意。

存儲單元包括一個(gè)選擇器和一個(gè)存儲元器件。原則上，選擇器可以是一個(gè)MOS晶體管或者P區是襯底或共地線(xiàn)的p-n-p結(圖2)。p-n-p結構可以?xún)?yōu)化成一個(gè)雙極結型晶體管(BJT)或一個(gè)純二極管。為了驗證單元結構，MOS和BJT/二極管選擇器的集成最初都是采用標準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用，而MOS單元則更適合系統芯片或嵌入式系統。在這種情況下，非易失性存儲器單元的集成制造只需將很少的附加掩模增加到標準前工序制造工藝，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相變存儲器(產(chǎn)品名稱(chēng):Alverstone)已經(jīng)上市銷(xiāo)售(圖3)，另一款采用45nm制造工藝的1Gb PCM產(chǎn)品(產(chǎn)品名稱(chēng)：Bonelli)目前正在開(kāi)發(fā)中(圖4)。這兩款產(chǎn)品均基于BJT型單元的版圖設計。

圖 3 – 采用90nm制造工藝的129Mb相變存儲器