面向纳电子时代的非易失性存储器
前言
在高速成长的非易失性存储器（NVM）市场的推动下，十年来，世界上出现了几项具有突破性的存储器技术，使业界标准技术被淘汰出局，并扩大了闪存技术的应用领域。业内广泛接受的观点是，任何一项技术如果取得成功，就会在未来十年内变为产品。目前，业界对两大类全新的非易失性存储器进行了可行性调研，其中一类是基于无机材料的存储器技术，如铁电存储器(FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)或相变存储器(PCM)，另一类存储器技术则基于有机材料，铁电或导电开关聚合物。值得注意的是，眼看这个十年就要结束，在这些接替闪存的非易失性存储器当中，只有相变存储器具备进入广阔市场的能力表现，被视为下一个十年的主流存储器技术。
替代闪存的非易失性存储器
在目前已调研的两大类新的非易失性存储器技术中，基于铁电或导电开关聚合体的有机材料的存储器技术还不成熟，处于研发阶段。某些从事这类存储器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集成要求及其制造温度，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易失性存储器概念的调研时间比较长，并在过去几年发布了几个产品原型。
早在上个世纪90年代就出现了FeRAM技术概念。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，但是，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，铁电存储器现在还是实现了商业化。这个存储器概念仍然使用能够被电场极化的铁电材料。温度在居里点以下时，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1所示），这些结构属于两种方法体系，一种是把铁电材料集成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)两种元件内集成铁电材料的方法），另一种是把铁电材料集成到选择元件内，即铁电场效应晶体管内。所有的FeRAM架构都具有访存速度快和真证的随机访问所有存储单元的优点。今天，FeRAM技术研发的主攻方向是130nm制程的64Mb存储器。
图1 – FeRAM单元架构方案
多年来，磁隧道结(MTJ)存储单元(如图2所示)一直是MRAM研发人员的主要研发工作，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。访存速度极快的无损性读取性能是确保高性能、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，业界最近提出了自旋转移矩RAM(SPRAM)解决方案，这项创新技术是利用自旋转换矩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、单元集成等），今天，MRAM的制造只局限于4Mb阵列180nm制程的产品。
图2 – 采用MTJ 1T1R方法的MRAM单元架构
相变存储器
PCM是最好的闪存替代技术，能够涵盖不同的非易失性存储器应用领域，满足高性能和高密度两种应用要求。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3-a）对单元进行写操作，通过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取存储单元。虽然这项技术最早可追溯到上个世纪70年代，但是直到最近人们才重新尝试将其用于非易失性存储器（采用相变合金的光电存储设备取得商业成功，也促进了人们发现性能更优异的相变材料结构的研究活动），相变存储器证明其具有达到制造成熟度的能力。我们在本文后面的表格中比较了相变存储器与其它的成熟的非易失性存储器技术。 融非易失性存储器和DRAM两大存储器的优点于一身，PCM的新特性对新型应用很有吸引力，同时还是一项具有连续性和突破性的存储器技术。从应用角度看，PCM可用于所有的存储器系统，特别适用于消费电子、计算机、通信三合一电子设备的存储器系统。具体地讲，在无线系统中，PCM可用作代码执行存储器；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，在固态存储子系统中，保存经常访问的页面；在立即处理数据时，保存更容易管理的数据元素；计算机平台可利用其非易失性。
评论