替代闪存的非挥发性内存

在目前研究的两大类新的非挥发性内存技术中，由于铁电或导电开关聚合体的有机材料的内存技术还不成熟，处于研发阶段。部分从事这类内存材料研究的研发小组开始认为，这个概念永远都不会变成真正的产品。事实上，使这些概念符合标准CMOS整合要求及其制造温度，还需要解决几个似乎难以逾越的挑战。另一方面，业界对基于无机材料的新非挥发性内存概念的研究时间比较长，并在过去几年发表了几个产品原型。

FeRAM技术概念早在上个世纪90年代就已经出现。虽然在研究过程出现过很多与新材料和制造模块有关的技术难题，但经过十年的努力，即便固有的制程缩小限制，技术节点远远高于闪存，铁电内存现阶段仍已导入商业化。这个内存概念仍然使用能够被电场极化的铁电材料。温度在居里点（Curie point）以下时，立方体形状出现晶格变形，此时铁电体发生极化；温度在居里点以上时，铁电材料变成顺电相。到目前为止，业界已提出多种FeRAM单元结构（如图一所示），这些结构属于两种方法体系，一种是把铁电材料整合到一个单独的存储元件内，即铁电电容器内（在双晶体管/双电容(2T2C)和单晶体管/单电容(1T1C)两种组件内整合铁电材料的方法）[2]，另一种是把铁电材料整合到选择组件内，即铁电场效应晶体管[3]内。所有的FeRAM架构都具有访问速度快和可以随机读取所有储存单元的优点，而目前FeRAM技术研发的主攻方向是130nm制程的64Mb内存[4]。

《图一 FeRAM单元架构方案》

多年来，磁隧道结（MTJ）储存单元（如图二所示）一直是MRAM研发人员的主要研发工作[5]，MTJ由一个晶体管和一个电阻组成（1T/1R）。这些技术是利用隧道结与磁阻材料整合产生的特殊效应：当施加一个磁场时，电阻就会发生变化。访问速度极快的无损性读取效能是确保高效能、读写次数相同和低功耗操作的前提。MRAM的主要缺点是该技术固有的写操作电流过高和技术节点缩小受限。为了克服这两大制约因素，业界最近提出了SPRAM（Spin-transfer Torque RAM）解决方案[6]，这项创新技术是利用自旋转换矩（Spin-transfer Torque）引起的电流感应式开关效应。尽管这一创新方法在一定程度上解决了MRAM的一些常见问题，但是还有很多挑战等待研究人员克服（例如：自读扰动、写次数、单元整合等）。目前MRAM的制造只局限于4Mb数组180nm制程的产品[7]。

《图二 采用MTJ 1T1R方法的MRAM单元架构[5]》

相变化内存

PCM是最好的闪存替代技术，能够涵盖不同的非挥发性内存应用领域，满足高效能和高容量两种应用要求。PCM利用温度变化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相态逆变的特性。基本单元结构由一个晶体管和一个电阻构成(1T/1R)，利用电流引起的焦耳热效应（图三）对单元进行写操作，透过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取储存单元。虽然这项技术最早可追溯到上个世纪70年代，但直到最近人们才重新尝试将其用于非挥发性内存[9]（采用相变合金的光电储存设备达到商业成功，也促进了人们发现效能更优异的相变材料结构的研究活动），相变化内存证明其具有达到制造成熟度的能力[10]。我们在本文后面的表格中比较了相变化内存与其它的成熟的非挥发性内存技术。整合了非挥发性内存和DRAM两大内存的优点于一身，PCM的新特性对新型应用极具吸引力，同时也是具备连续性和突破性的内存技术。从应用角度看，PCM可用于所有的内存系统，特别适用于消费电子、计算机、通讯三合一电子设备的内存系统 [11]。在无线系统中，PCM可用作代码执行内存；PCM可用作可改写只读存储器，保存处理频率最高的数据结构以外的全部数据结构，在固态储存子系统中，保存经常读取的页面；在立即处理数据时，保存更容易管理的数据元素；其非挥发性也可运用计算机平台中。

《图三 PCM原型结构的被写储存单元的自加热示意图》

PCM的技术发展路线如图五所示。业界利用180nm技术节点开发出了首个芯片测试载具，并验证了此项技术的可行性[12]。BJT选定的单元被高效能和高容量内存选用，因为单元尺寸可以是~5F2 (其中F是储存单元半节距最小值)。虽然单元尺寸较大(~20F2)，但是整合内存只需在逻辑制程中增加很少的掩模(mask)，极具成本优势，因此，MOS选定的单元适用于系统芯片或嵌入式应用[13]。

《图五 PCM技术发展路线图》

英特尔和意法半导体开发出一款名为Alverstone的128Mb的90nm相变化内存，该产品现已导入商业化应用[14]。另一款 45nm 1Gb PCM产品目前也已进入进阶研发阶段，该产品设计的单元尺寸为5.5F2 （图四）。

《图四 45nm技术PCM数组的截面图》

PCM技术研发将沿着不同的路线并行前进。主流的开发路线将是采用BJT选定的单元，沿着光刻技术发展路线，缩小现有技术架构，提供最小的单元尺寸。除广泛使用的 Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一个重要的研究领域，因为这可能会开创全新的应用领域；结晶速度极快或结晶温度更高的合金将会更具发展潜力[16]。

在内存架构方面，一条研究主线是利用交叉点数组，达到一层以上的内存迭层。透过在后端制程中整合p-n结或肖特基二极管(Schottky diode)作为选择组件，业界已经提出了不同的解决方法[17-18]。硫系材料特别适合这种堆栈方法，因为在硫系材料堆栈后，其相变特性（像Ge2Sb2Te5）可以构成内存组件，同时其电子开关特性（像OTS）构成选择组件[19]（图六）。在这种情况下，单元尺寸可以达到4F2，位大小是单元尺寸的几分之一，实际大小取决于迭层数量[19]，这项技术适用于高容量内存，特别是储存应用。

《图六 一层采用CMOS技术全整合的交叉点PCM数组》

总而言之，现有的技术成熟度、技术节点缩小能力、持续开发的应用范围，结合新的材料和架构可，这一切均为相变化内存技术未来十年在内存市场中的发展奠定基础。

---Roberto Bez为恒忆研发中心技术开发部研究员，负责恒忆相变储存技术（PCM）的研发工作---

参考文献

[I]R.Bez, “Chalcogenide PCM: a memory technology for next decade”, IEDM Tech. Dig., 2009.

[2] S.-H. Oh et al., “Noble FeRAM Technologies with MTP Cell Structure and BLT Ferroelectric Capacitors”, IEDM Tech. Dig., 2003, p. 835, 2003.

[3] H. Ishiwara, ” Recent Progress in FET-type Ferroelectric Memories”, IEDM Tech. Dig., 2003, p. 263, 2003. [4] H. McAdams et al., “A 64Mbit Embedded FeRAM Utilizing a 130nm, 5LM Cu/FSG Logic Process”, Symp. On VLSI Tech., 2003.

[5] M. Durlam et al., “A 0.18µm 4Mb Toggling MRAM”, IEDM Tech. Dig., 2003, p. 995, 2003. [6] M. Hosomi et al., “A Novel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM”, IEDM Tech. Dig., 2005. [7] See www.everspin.com

[8] A. Redaelli et al., “Threshold switching and phase transition numerical models for phase change memory simulations”, J. Appl. Phys., vol. 103, 111101, 2008.

[9] S. Lai and T.Lowrey., “OUM - A 180 nm Nonvolatile Memory Cell Element Technology for Stand Alone and Embedded Applications”, IEDM Tech. Dig. 2001, p. 803, 2001.

[10] A. Pirovano et al., “Self-AlignedµTrench Phase-Change Memory Cell Architecture for 90nm Technology and Beyond”, Proc. ESSDERC 07., p. 222, 2007.

[II] S.Eilert et al., “Phase Change Memory: a new memory enables new memory usage models”, 2009 IEEE IMW,

Monterey, pag.72 , 2009.

[12] F.Pellizzer et al., “Novel uTrench PCM cell for embedded and stand-alone NVM applications”, Symp. On VLSI

Tech., pag.18, 2004.

[13] R.Annunziata et al., “Phase Change Memory Technology for Embedded Non Volatile Memory Applications for

90nm and Beyond”, IEDM Tech. Dig., 2009.

[14] F.Pellizzer et al.,, “A 90nm Phase-Change Memory Technology for Stand-Alone Non-Volatile Memory

Applications”, Symp. on VLSI Tech., pag.122, 2006.

[15] G.Servalli, “A 45nm Generation Phase Change Memory Technology”, IEDM Tech. Dig., 2009.

[16] R.Bez, “Development Lines for Phase Change Memories”, EPCOS 2008, Prague (http//www.epcos.org).

[17] Y.Sasago et al., “Cross-point pcm with 4F2 cell size driven by low-contact-resistivity poly-Si diode”, Symp.

VLSI Tech., T2B1, 2008.

[18] G.Tallarida et al., “Low temperature rectifying junctions for crossbar non-volatile memory devices”, IMW,

Monterey, 2009.

[19] S.R.Ovshinsky, “Reversible electrical switching phenomena in disordered structures”, Phys. Rev. Lett. 21,

pag.1450, 1968.

[20] D.Kau et al., “A Stackable Cross Point Phase Change Memory”, IEDM Tech. Dig., 2009.