幾種新型非易失性存儲(chǔ)器

摘  要： 本文簡(jiǎn)單介紹了鐵電存儲(chǔ)器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器和相變存儲(chǔ)器這三種比較有發(fā)展?jié)摿Υ鎯?chǔ)器的原理、研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題等。

引言
更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時(shí)問(wèn)、更低成本和更高可靠性是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和制造者追求的永恒目標(biāo)。根據(jù)這一目標(biāo)，人們研究各種存儲(chǔ)技術(shù)，以滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。本文對(duì)目前幾種比較有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资源鎯?chǔ)器做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

圖1 MTJ元件結(jié)構(gòu)示意圖

鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)
鐵電存儲(chǔ)器是一種在斷電時(shí)不會(huì)丟失內(nèi)容的非易失存儲(chǔ)器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)前應(yīng)用于存儲(chǔ)器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列，包括PbZr1-xTixO3，SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理是基于鐵電材料的高介電常數(shù)和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出(DRO)和非破壞性讀出(NDRO)。DRO模式是利用鐵電薄膜的電容效應(yīng)，以鐵電薄膜電容取代常規(guī)的存儲(chǔ)電荷的電容，利用鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)就是基于DRO工作模式。這種破壞性的讀出后需重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)，所以FeRAM在信息讀取過(guò)程中伴隨著大量的擦除/重寫(xiě)的操作。隨著不斷地極化反轉(zhuǎn)，此類(lèi)FeRAM會(huì)發(fā)生疲勞失效等可靠性問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上的鐵電存儲(chǔ)器全部都是采用這種工作模式。NDRO模式存儲(chǔ)器以鐵電薄膜來(lái)替代MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過(guò)柵極極化狀態(tài)(±Pr)實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自源—漏電流的調(diào)制，使它明顯增大或減小，根據(jù)源—漏電流的相對(duì)大小即可讀出所存儲(chǔ)的信息，而無(wú)需使柵極的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)，因此它的讀出方式是非破壞性的?；贜DRO工作模式的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FFET)是一種比較理想的存儲(chǔ)方式。但迄今為止，這種鐵電存儲(chǔ)器尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還不能達(dá)到實(shí)用程度。
Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的廠商。該公司剛推出高集成度的FM31系列器件，這些產(chǎn)品集成最新的FeRAM存儲(chǔ)器，可以用于汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、儀表和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。Toshiba公司與Infineon公司2003年合作開(kāi)發(fā)出存儲(chǔ)容量達(dá)到32Mb的FeRAM，該FeRAM采用單管單電容(1T1C)的單元結(jié)構(gòu)和0.2mm工藝制造，存取時(shí)間為50ns，循環(huán)周期為75ns，工作電壓為3.0V或2.5V。Matsushita公司也在2003年7月宣布推出世界上第一款采用0.18mm工藝大批量制造的FeRAM嵌入式系統(tǒng)芯片(SOC)。該公司新開(kāi)發(fā)的這種產(chǎn)品整合了多種新穎的技術(shù)，包括采用了獨(dú)特的無(wú)氫損單元和堆疊結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)單元的尺寸減小為原來(lái)的十分之一；采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微鐵電電容，從而大幅減小了裸片的尺寸，擁有低功耗，工作電壓僅為1.1V。2003年初，Symetrix公司向Oki公司授權(quán)使用NDRO FeRAM技術(shù)，后者采用0.25mm工藝生產(chǎn)NDRO FeRAM。NDRO FeRAM是基于Symetrix稱(chēng)為T(mén)rinion單元的新型技術(shù)，但是該公司沒(méi)有披露具體的細(xì)節(jié)。
FeRAM已成為存儲(chǔ)器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。然而，F(xiàn)eRAM的批評(píng)者指出，當(dāng)達(dá)到某個(gè)數(shù)量的讀周期之后FeRAM單元將失去耐久性，而且由陣列尺寸限制帶來(lái)的FeRAM成品率問(wèn)題以及進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度和可靠性等問(wèn)題仍然亟待解決。

圖2 OUM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖

磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)
從原理上講，MRAM的設(shè)計(jì)是非常誘人的，它通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。理論上來(lái)說(shuō)，鐵磁體是永久不會(huì)失效的，因此它的寫(xiě)入次數(shù)也是無(wú)限的。在MRAM發(fā)展初期所使用的磁阻元件是被稱(chēng)為巨磁阻(GMR)的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由上下兩層磁性材料，中間夾著一層非磁性材料的金屬層所組成。由于GMR元件需較大電流成為無(wú)法突破的難點(diǎn)，因此無(wú)法達(dá)到高密度存儲(chǔ)器的要求。與GMR不同的另一種結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié) (MTJ)，如圖1所示。MTJ與GMR元件的最大差異是隔開(kāi)兩層磁性材料的是絕緣層而非金屬層。MTJ元件是由磁場(chǎng)調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行來(lái)建立兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在反平行狀態(tài)時(shí)通過(guò)此元件的電子會(huì)受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；而在平行狀態(tài)時(shí)電子受到的干擾較小得到相對(duì)低的阻值。MTJ元件通過(guò)內(nèi)部金屬導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變不同的阻值狀態(tài)，并以此記錄“0”與“1”的信號(hào)。
MRAM當(dāng)前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)就是磁致電阻太過(guò)微弱，兩個(gè)狀態(tài)之間的電阻只有30%~40%的差異，讀寫(xiě)過(guò)程要識(shí)別出這種差異的話，還有一定的難度。不過(guò)，NVE公司于2003年11月宣布，其工程師研制成功迄今為止最高的自旋穿隧結(jié)磁阻(SDT)。該公司采用獨(dú)特材料，室溫下在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間使穿隧磁阻變化超過(guò)70%。NVE已向包括Motorola公司在內(nèi)的幾家致力商用化MRAM的公司授權(quán)使用其MRAM知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
IBM、Motorola和Infineon等公司的MRAM樣品已紛紛出爐，預(yù)計(jì)2004-2005年MRAM的商用產(chǎn)品將陸續(xù)面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1Mb的MRAM芯片，據(jù)悉2003年10月該公司向其他公司推出了采用0.18mm工藝的4Mb MRAM樣片。Toshiba和NEC公司的聯(lián)合研究小組計(jì)劃采用0.25mm磁性隧道結(jié)與0.18mm工藝相結(jié)合的方式，希望在2005年實(shí)現(xiàn)256Mb MRAM的量產(chǎn)。Infineon和IBM公司也在2003年6月聯(lián)合宣布，他們開(kāi)發(fā)出的高速128Kb MRAM采用0.18mm工藝制作，為目前業(yè)界工藝尺寸最小的MRAM產(chǎn)品，有望從2005年開(kāi)始逐步取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)器，并獲得廣泛應(yīng)用。

相變存儲(chǔ)器(OUM)
奧弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)在1968年發(fā)表了第一篇關(guān)于非晶體相變的論文，創(chuàng)立了非晶體半導(dǎo)體學(xué)。一年以后，他首次描述了基于相變理論的存儲(chǔ)器：材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過(guò)程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。后來(lái)，人們將這一學(xué)說(shuō)稱(chēng)為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。相變存儲(chǔ)器是基于奧弗辛斯基效應(yīng)的元件，因此被命名為奧弗辛斯基電效應(yīng)統(tǒng)一存儲(chǔ)器(OUM)，如圖2所示。從理論上來(lái)說(shuō)，OUM的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品體積較小、成本低、可直接寫(xiě)入(即在寫(xiě)入資料時(shí)不需要將原有資料抹除)和制造簡(jiǎn)單，只需在現(xiàn)有的CMOS工藝上增加2~4次掩膜工序就能制造出來(lái)。
OUM是世界頭號(hào)半導(dǎo)體芯片廠商Intel公司推崇的下一代非易失性、大容量存儲(chǔ)技術(shù)。Intel和該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明廠商O(píng)vonyx 公司一起，正在進(jìn)行技術(shù)完善和可制造性方面的研發(fā)工作。Intel公司在2001年7月就發(fā)布了0.18mm工藝的4Mb OUM測(cè)試芯片，該技術(shù)通過(guò)在一種硫化物上生成高低兩種不同的阻抗來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。2003年VLSI會(huì)議上，Samsung公司也報(bào)道研制成功以Ge2Sb2Te5(GST)為存儲(chǔ)介質(zhì)，采用0.25mm工藝制備的小容量OUM，工作電壓在1.1V，進(jìn)行了1.8x109 讀寫(xiě)循環(huán)，在1.58x109循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。
不過(guò)OUM的讀寫(xiě)速度和次數(shù)不如FeRAM和MRAM，同時(shí)如何穩(wěn)定維持其驅(qū)動(dòng)溫度也是一個(gè)技術(shù)難題。2003年7月，Intel負(fù)責(zé)非易失性存儲(chǔ)器等技術(shù)開(kāi)發(fā)的S.K.Lai還指出OUM的另一個(gè)問(wèn)題：OUM的存儲(chǔ)單元雖小，但需要的外圍電路面積較大，因此芯片面積反而是OUM的一個(gè)頭疼問(wèn)題。同時(shí)從目前來(lái)看，OUM的生產(chǎn)成本比Intel預(yù)想的要高得多，也成為阻礙其發(fā)展的瓶頸之一。

結(jié)語(yǔ)
FeRAM、MRAM和OUM這三種存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分誘人。近年來(lái)，人們對(duì)它們的研究己取得了可喜的進(jìn)展，尤其是FeRAM己實(shí)現(xiàn)了初步的商業(yè)應(yīng)用。但它們要在實(shí)際應(yīng)用上取得進(jìn)一步重大突破，還有大量的研究工作要做。同時(shí)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展是沒(méi)有止境的，但是追求更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時(shí)間、更低成本和更高可靠性的目標(biāo)永遠(yuǎn)不會(huì)改變。