非易失性存儲(chǔ)器(NVM)在半導(dǎo)體市場(chǎng)占有重要的一席之地，特別是主要用于手機(jī)和其它便攜電子設(shè)備的閃存芯片。今后幾年便攜電子系統(tǒng)對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的要求更高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用需要寫(xiě)入速度極快的高密度存儲(chǔ)器，而代碼執(zhí)行應(yīng)用則要求存儲(chǔ)器的隨機(jī)訪存速度更快。

      經(jīng)過(guò)研究人員對(duì)浮柵存儲(chǔ)技術(shù)的堅(jiān)持不懈的研究，現(xiàn)有閃存的技術(shù)能力在2010年底應(yīng)該有所提升，盡管如此，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越關(guān)注有望至少在2020年末以前升級(jí)到更小技術(shù)節(jié)點(diǎn)的新式存儲(chǔ)器機(jī)制和材料。 

     目前存在多種不同的可以取代浮柵概念的存儲(chǔ)機(jī)制，相變存儲(chǔ)器（PCM）就是其中一個(gè)最被業(yè)界看好的非易失性存儲(chǔ)器，具有閃存無(wú)法匹敵的讀寫(xiě)性能和升級(jí)能力。

     在室溫環(huán)境中，基于第六族元素的某些金屬（硫族化合物）的晶態(tài)和非晶態(tài)的穩(wěn)定性非常好。特別是GeSbTe合金最被看好，因?yàn)樗袷匾粋€(gè)偽二元構(gòu)成方式（在GeTe和 Sb2Te3之間），以下簡(jiǎn)稱GST。 

      在基于硅的相變存儲(chǔ)器中，不同強(qiáng)度的電流經(jīng)過(guò)加熱器（電阻），到達(dá)硫化物材料，利用局部熱焦耳效應(yīng)，改變接觸區(qū)周圍的可寫(xiě)入容量（圖1）。在經(jīng)過(guò)強(qiáng)電流和快速猝滅后，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率增大。切換到非晶體狀態(tài)通常用時(shí)不足100ns，單元的熱時(shí)間常量通常僅為幾納秒。若恢復(fù)接觸區(qū)的晶體狀態(tài)，使材料的電阻率變小，需要施加中等強(qiáng)度的電流，脈沖時(shí)間較長(zhǎng)。存儲(chǔ)單元寫(xiě)入操作所用的不同電流產(chǎn)生了存儲(chǔ)器的直接寫(xiě)入特性。這種直接寫(xiě)入功能可簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的寫(xiě)入操作，提高寫(xiě)入性能。

圖1a：PCM存儲(chǔ)元件的橫截面原理圖

圖1b：寫(xiě)入操作過(guò)程中的模擬溫度曲線圖

       使用比寫(xiě)入電流低很多的且無(wú)重要的焦耳熱效應(yīng)的電流讀取存儲(chǔ)器，從而可以區(qū)別高電阻（非晶體）和低電阻（晶體）狀態(tài)。

       PCM被業(yè)界看好是因?yàn)閮纱笤颉５谝辉蚴谴鎯?chǔ)器功能性增強(qiáng)：這些改進(jìn)之處包括更短的隨機(jī)訪存時(shí)間、更快的讀寫(xiě)速度，以及直接寫(xiě)入、位粒度和高耐讀寫(xiě)能力。整合今天的閃存和快速動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（DRAM）的部分特性，PCM技術(shù)將存儲(chǔ)器的功能提升到一個(gè)新的水平，最終不僅可以取代閃存，還能替代DRAM的部分用處，如常用操作碼保存和高性能磁盤緩存 (圖2) 。

圖2：存儲(chǔ)技術(shù)屬性比較

     存儲(chǔ)單元小和制造工藝可以升級(jí)是讓人們看好PCM的第二大理由。相變物理性質(zhì)顯示制程有望升級(jí)到5 nm節(jié)點(diǎn)以下，有可能把閃存確立的成本降低和密度提高的速度延續(xù)到下一個(gè)十年期。

     采用一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)整合PCM概念、存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)及陣列和芯片測(cè)試載具的方案已通過(guò)廣泛的評(píng)估和論證。128 Mb高密度相變存儲(chǔ)器原型經(jīng)過(guò)90 nm制程論證，測(cè)試表明性能和可靠性良好。根據(jù)目前已取得的制程整合結(jié)果和對(duì)PCM整合細(xì)節(jié)理解水平，下一個(gè)開(kāi)發(fā)階段將是采用升級(jí)技術(shù)制造千兆位（Gbit）級(jí)別的PCM存儲(chǔ)器。

  【參考文獻(xiàn)】

 1.         G.Atwood and R.Bez, “Current status of chalcogenide phase-change memory”, Device Research Conference (DRC), Santa Barbara (CA), June 20-22, 2005.

2.         R.Bez and G.Atwood, “Chalcogenide Phase Change Memory: Scalable NVM for the Next Decade?” 21st IEEE Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, p.12, Monterey (Ca), 2006.

3.         F.Pellizzer, A.Benvenuti, B.Gleixner, Y.Kim, B.Johmson, M.Magistretti, T.Marangon, A.Pirovano, R.Bez, G.Atwood, A 90nm Phase-Change Memory Technology for Stand-Alone Non-Volatile Memory Applications, Symp. on VLSI Tech., pp. 122-123, 2006.

4.         A.Pirovano, F.Pellizzer, I.Tortorelli, R.Harrigan, M.Magistretti, P.Petruzza, E.Varesi, D.Erbetta, T.Marangon, F.Bedeschi, R.Fackenthal, G.Atwood and R.Bez, Self-Aligned µTrench Phase-Change Memory Cell Architecture for 90nm Technology and Beyond, Proc. ESSDERC 07, pp. 222-225, 2007.

5.         J.E.Brewer, G.Atwood, R.Bez, "Phase change memories" in Nonvolatile Memory Technologies with Emphasis on Flash edited by J.E.Brewer and M.Gill, IEEE Press Series on Microelectronics Systems, Wiley-Interscience,  pag.707-728, 2007.

6.         R.Bez, R.J.Gleixner, F.Pellizzer, A.Pirovano, G.Atwood “Phase Change Memory Cell Concepts and Designs” in Phase Change Materials – Science and Applications edited by S.Roux and M.Wuttig, Springer Verlag,  ISBN: 978-0-387-84873-0 e-ISBN: 978-0-387-84874-7, pag.355-380, 2008.

關(guān)于作者

Roberto Bez

恒憶研發(fā)中心技術(shù)開(kāi)發(fā)部研究員，負(fù)責(zé)恒憶相變存儲(chǔ)技術(shù)（PCM）的研發(fā)工作。

 Roberto于1987年加入意法半導(dǎo)體。在任職于ST的20年間，他服務(wù)于多個(gè)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)部門，重點(diǎn)研究領(lǐng)域是NOR閃存、NAND閃存及相變存儲(chǔ)（PCM）。Roberto擁有超過(guò)25項(xiàng)專利，所著文章曾發(fā)表在100多種刊物上。

 Roberto畢業(yè)于米蘭大學(xué)（University of Milan），獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

 關(guān)于恒憶 (Numonyx)

恒憶設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造完整的集成NV-RAM、NOR、NAND 和相變移位存儲(chǔ)器等非易失性存儲(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)品，以滿足無(wú)線、數(shù)據(jù)和嵌入式存儲(chǔ)器市場(chǎng)日趨復(fù)雜的需求。恒憶結(jié)合了意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)和英特爾(Intel) 存儲(chǔ)部門的技術(shù)與制造專業(yè)，致力于為全球客戶提供高密度、低功耗存儲(chǔ)技術(shù)與封裝解決方案。關(guān)于恒憶的詳細(xì)信息，請(qǐng)查詢公司網(wǎng)站 numonyx.com/">www.numonyx.com。