硫系化合物相变存储器

作者：时间：2012-02-19来源：网络收藏

硫系 化合物是由元素周期表第16族元素组成的合金(旧式元素周期表：第VIA族或第VIB族)。在室温条件下，这些合金的非晶态和晶态都十分稳定。当加热时，硫系 化合物可以从非晶态变成晶态，反之亦然。
最近，GST成为一项新的具有突破性的非易失性固态存储器技术PCM的构成要素。事实上，非晶态和晶态具有不同的电阻率。固态PCM的基本原理是利用低电阻率(晶态)和高电阻率(非晶态)分别代表二进制数字1和0。因此，PCM以材料本身的结构状态存储信息，用一个适当的电脉冲信号引起两个(稳定)状态之间的转换。

在基于硅的相变存储器中，不同振幅的电流从加热元器件流出，穿过硫化物材料，利用局部热焦耳效应，改变接触区周围的可写入体积(图1)。经过强电流和快速猝灭，材料被冷却成非晶体状态，导致电阻率增大。切换到非晶体状态通常用时不足100ns，单元的加热时间常量通常仅为几纳秒。恢复接触区的晶体状态，使材料的电阻率变小，需要施加中等强度的电流，脉冲时间较长。存储单元写操作所需的不同电流产生了存储器的直接写操作特性。这种直接写入功能可简化存储器的写操作，提高写性能。读取存储器使用比写入电流低很多的且基本上无焦耳热效应的电流，因为该电流只区别高电阻(非晶体)和低电阻(晶体)状态。

图 1 – PCM技术开发路线图

集现有存储技术的优点于一身

与现有的存储技术相比，PCM将传统存储技术的优点融为一体：闪存的非易失性、RAM的位可修改性、读写速度与标准RAM媲美且优于NOR、NAND或EEPROM存储器。

此外，随着制造技术的不断进步，PCM很容易缩减到更小的几何尺寸，以更低的成本实现更高的密度。全球很多实验室已经使用硫系 化合物薄膜证明，基本PCM存储器能够缩减到5nm技术节点。随着PCM存储单元缩小，涉及状态变化的材料体积就会减少，导致功耗降低，写性能提高。相反，DRAM、闪存和EEPROM器件的光刻技术节点很难缩减到32nm以下。受益于硫系薄膜材料的状态控制方法的研究和改进，PCM的耐用性和写入速度预计在近期内会大幅提升。随着光刻技术向尖端技术迈进，PCM每位成本将会大幅度降低。

技术开发路线图

图1所示是恒忆的PCM技术开发路线图。第一个芯片测试载具最初采用的是180nm技术节点，测试结果令人满意。

存储单元包括一个选择器和一个存储元器件。原则上，选择器可以是一个MOS晶体管或者P区是衬底或共地线的p-n-p结(图2)。p-n-p结构可以优化成一个双极结型晶体管(BJT)或一个纯二极管。为了验证单元结构，MOS和BJT/二极管选择器的集成最初都是采用标准180nmCMOS制造技术。基于BJT的解决方案更适用于高性能和高密度应用，而MOS单元则更适合系统芯片或嵌入式系统。在这种情况下，非易失性存储器单元的集成制造只需将很少的附加掩模增加到标准前工序制造工艺，因此，PCM的成本优势明显高于竞争技术。

图 2 – MOS型PCM和双极型PCM单元比较