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相变存储器

时间:2016-05-19
     摘要:相变存储器是一种新颖的存储器,虽已研发多年,但仍未到商业化应用水平。

点题:相变存储器是一种新颖的存储器,早在40多年前就被研究人员所提出,在几十年的研究与开发过程中,技术不断进步,相关产品也得到了少量应用。由于技术仍不完善,这类产品在存储容量等方面仍不能与当前的半导体存储器相媲美。

20165月,IBM的研究人员在相变存储器研究上取得了新的进展,该公司认为相变存储器将在今后数年内得到商业化应用。

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一、概念

相变存储器(phase change memory),缩略表示为PCM、PRAM或PCRAM,是一种新兴的非易失性计算机存储器技术,它是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的存储装置。它不仅比闪存速度快得多,而且更容易缩小到较小尺寸,并具有复原性更好,能够实现一亿次以上的擦写次数等特性,因此它可能在将来代替闪存。2015年《自然·光子学》杂志公布了世界上第一个或可长期存储数据且完全基于光的相变存储器。

2016年5月,IBM宣布了相变存储技术的重要进步,该公司认为这项技术的成本已降至可接受的范围,从而可以进入商用阶段。

(图片源于网络)

二、工作原理

在非晶态下,GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度,使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后,我们一般称其为RESET状态,在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度,然后突然对GST淬火将其冷却。冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。

在晶态下,GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度,从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后,我们一般称其为SET状态,在SET操作中,材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度,然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态;因此,当对非晶态下的材料加热,温度接近结晶温度时,它就会自然地转变为晶态。

PCM器件的典型结构

(图片源于网络)

上图给出了一种典型GST PCM器件的结构。一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑,在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑,使非晶层再结晶回到结晶态。

三、国内外研究

20世纪末,半导体工艺技术发展到纳米量级,给相变存储器的技术特点和优势提供了发挥的空间,国外很多半导体行业公司以及研究机构都相继投入了大量的人力、物力和财力,加入了相变存储器的研究阵营,其技术日趋成熟。20000年2月,英特尔和恒忆(Ovonyx)发布合作和许可协议,开启了PCM产品的研发;同年12月,与恒忆开始合作。2007年意法半导体和英特尔宣布成立恒忆公司(后被美光收购),专门致力于PCM 的研发,PCM 进入了快速发展期。2007年韩国海力士(已更名为SK海力士)成功开发出40 nm工艺1Gb容量的PCM 芯片,但由于成本和市场接受度等众多原因,该芯片未能进入量产。2009年12月,恒忆宣布量产1Gb的相变存储器产品;2010年恒忆发布全新系列相变存储器产品,该系列产品具有更高的写性能、写寿命和设计简易性,适用于无线通信设备、消费电子和其他嵌入式应用设备。2011年6月IBM 攻克了相变存储的一大难题:多位封装,采用90nmCMOS工艺制造,实现了每单元存储多位数据,写入和检索数据速度比NAND闪存快100倍,并可持续使用一千万次。2012年6月,IBM和SK海力士宣布联合打造新一代相变存储器。在市场上,三星与美光是目前在PCM 技术方面较为领先的两家公司,其中三星开发出的65nm 工艺、512Mb容量的PCM 芯片已投入量产并应用在三星的手机存储卡中;同时三星已经推出了20nm工艺、8Gb容量的相变内存颗粒。美光则是通过收购恒忆公司而得到了这家公司开发出的90nm 工艺、128Mb容量的PCM 技术,并成功研制了面向移动设备领域的45nm工艺、1Gb容量的LPDDR2接口的PCM 芯片产品,于2012年7月宣布量产该系列芯片。

(图片源于网络)

如今,三星、美光、英特尔、IBM 等多家知名半导体公司投巨资来推进PCM 的产业化发展,同时斯坦福大学、卡内基梅隆大学、加州大学圣地亚哥分校、惠普实验室、微软研究院等学术研究机构也针对PCM 从器件到应用展开了广泛研究,推动了芯片在存储系统的应用,PCM 的发展速度前所未有。

在国内对于PCM的研究已经开始,中芯国际、全芯科技等国外研究机构与国内研究机构和部分高校一同合作,在PCM 的介质材料、存储机理和器件原型等方面展开了深入研究,取得了令人瞩目的进展。与国外相比,国内因工艺条件的限制对PCM的研究相对少一些。国内目前对PCM 技术的研究机构主要有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、华中科技大学、中芯国际、北京时代全芯科技等。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所对相变材料体系有比较系统的研究,包括相变材料、相变机理、高速CMOS衬底材料、纳米加工工艺集成、PCM 芯片设计与制作技术等,其与中芯国际联合搭建了130和45nm 的PCM 芯片工艺平台,并已经着手开展40nm 工艺上的进程,同时也和美国SST公司联合研发PCM 技术。2011年4月,中国科学院上海微系统与信息技术研究所成功开发出中国第一款具有自主知识产权的相变存储器芯片,这款PCM 芯片的存储容量为8Mb,具有读、写、擦功能。华中科技大学自2007年开始研究高密度低功耗电阻式相变存储器、相变存储器功能芯片、相变存储器芯片的关键材料以及相关专用测试设备等,已经自主研制出具有简单读、擦、写功能的相变存储器功能芯片。2011年9月,北京时代全芯科技公司在与美国全芯科技公司及其合作方IBM 团队的共同努力下设计完成第一批基于相变存储器的产品芯片,成为我国第一家生产高密度相变存储器芯片的公司。该公司已经成功设计了256Mb的LPDDR2接口PCM 芯片和32 Mb的SPI接口芯片,并设计了一个16 Mb的嵌入式相变存储器宏模块。

在国内,随着相变存储器器件的研究逐步展开的同时,该领域发明专利申请的数量也保持了逐年增长的态势,专利数目在不断增多,关注点也在逐渐扩大,可见,国内对PCM 领域的研究已经愈发关注。

(图片源于网络)

 

四、发展前景与最新进展

作为一种已经出现多年的技术,相变存储器的发展较为缓慢,但其自身具有的特性使得其至今为止仍旧是一种具有潜力的下一代存储器。相信随着材料技术、加工技术等的不断进步,相变存储器将会逐步走向规模化商用阶段,从而成为对当前半导体存储器的一种重要补充乃至部分取代其应用市场。

2015年5月,IBM研究人员在巴黎存储技术大会上公布该公司的最新研究成果。他认为,相变存储技术将于2017年成功商用。

 

(技术研发与网络运维中心摘编)

 

参考来源:

[百度百科]

http://baike.baidu.com/subview/955777/13902275.htm

冒伟 刘景宁 童薇 冯丹 李铮 周文 张双武. 基于相变存储器的存储技术研究综述 [J]计算机学报20155Vol.38 No.5

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延伸阅读:

IBM发布“相变存储”技术:比现有闪存快70

http://tech.sina.com.cn/it/2016-05-18/doc-ifxsenvn7296980.shtml

相变存储:存储领域又起波澜

http://www.ccw.com.cn/article/view/49348

 

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