硫系化合物相變存儲器

2021-01-08 電子產品世界

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，這些合金的非晶態和晶態都十分穩定。當加熱時，硫系化合物可以從非晶態變成晶態，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存儲器技術PCM的構成要素。事實上，非晶態和晶態具有不同的電阻率。固態PCM的基本原理是利用低電阻率(晶態)和高電阻率(非晶態)分別代表二進位數字1和0。因此，PCM以材料本身的結構狀態存儲信息，用一個適當的電脈衝信號引起兩個(穩定)狀態之間的轉換。

在基於矽的相變存儲器中，不同振幅的電流從加熱元器件流出，穿過硫化物材料，利用局部熱焦耳效應，改變接觸區周圍的可寫入體積(圖1)。經過強電流和快速猝滅，材料被冷卻成非晶體狀態，導致電阻率增大。切換到非晶體狀態通常用時不足100ns，單元的加熱時間常量通常僅為幾納秒。恢復接觸區的晶體狀態，使材料的電阻率變小，需要施加中等強度的電流，脈衝時間較長。存儲單元寫操作所需的不同電流產生了存儲器的直接寫操作特性。這種直接寫入功能可簡化存儲器的寫操作，提高寫性能。讀取存儲器使用比寫入電流低很多的且基本上無焦耳熱效應的電流，因為該電流只區別高電阻(非晶體)和低電阻(晶體)狀態。


圖 1 – PCM技術開發路線圖

集現有存儲技術的優點於一身

與現有的存儲技術相比，PCM將傳統存儲技術的優點融為一體：快閃記憶體的非易失性、RAM的位可修改性、讀寫速度與標準RAM媲美且優於NOR、NAND或EEPROM存儲器。

此外，隨著製造技術的不斷進步，PCM很容易縮減到更小的幾何尺寸，以更低的成本實現更高的密度。全球很多實驗室已經使用硫系化合物薄膜證明，基本PCM存儲器能夠縮減到5nm技術節點。隨著PCM存儲單元縮小，涉及狀態變化的材料體積就會減少，導致功耗降低，寫性能提高。相反，DRAM、快閃記憶體和EEPROM器件的光刻技術節點很難縮減到32nm以下。受益於硫系薄膜材料的狀態控制方法的研究和改進，PCM的耐用性和寫入速度預計在近期內會大幅提升。隨著光刻技術向尖端技術邁進，PCM每位成本將會大幅度降低。

技術開發路線圖

圖1所示是恆憶的PCM技術開發路線圖。第一個晶片測試載具最初採用的是180nm技術節點，測試結果令人滿意。

存儲單元包括一個選擇器和一個存儲元器件。原則上，選擇器可以是一個MOS電晶體或者P區是襯底或共地線的p-n-p結(圖2)。p-n-p結構可以優化成一個雙極結型電晶體(BJT)或一個純二極體。為了驗證單元結構，MOS和BJT/二極體選擇器的集成最初都是採用標準180nmCMOS製造技術。基於BJT的解決方案更適用於高性能和高密度應用，而MOS單元則更適合系統晶片或嵌入式系統。在這種情況下，非易失性存儲器單元的集成製造只需將很少的附加掩模增加到標準前工序製造工藝，因此，PCM的成本優勢明顯高於競爭技術。


圖 2 – MOS型PCM和雙極型PCM單元比較

一款採用90nm製造工藝的128Mb相變存儲器(產品名稱:Alverstone)已經上市銷售(圖3)，另一款採用45nm製造工藝的1Gb PCM產品(產品名稱：Bonelli)目前正在開發中(圖4)。這兩款產品均基於BJT型單元的版圖設計。


圖 3 – 採用90nm製造工藝的129Mb相變存儲器

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