新型相变随机存储器技术发展与展望

摘 要：存储器技术是一种不断进步的技术，每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走进历史。本文介绍相变随机存储器（PRAM）技术，详细介绍它的发展状况、工作原理和于其他目前主流存储器的各方面性能比较。并对下一代的存储器技术进行展望。

关键词：相变随机存储，新型，存储器，工作原理

1. 引言

存储器技术是一种不断进步的技术，随着各种专门应用不断提出新的要求，新的存储器技术也层出不穷，每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走进历史，因为开发新技术的初衷就是为了消除或减弱某种特定存储器产品的不足之处。

存储器按照是否易失，分为非易失性随机访问存储器（Non-Volatile Random Access Memory，NVRAM）和易失性随机访问存储器（Volatile Random Access Memory，VRAM）。VRAM技术对应的存储器一般为动态随机存储器和静态随机存储器，特点就是掉电后存储信息会丢失。对于NVRAM，业界似乎没有非常严格的定义，凡是具备永久保存数据能力的半导体存储器都可以称之为NVRAM。本文介绍了相变随机存储器的存储技术，详细介绍它的发展状况、工作原理和于其他目前主流存储器的各方面性能比较。

2. PRAM简介

相变随机存储器（Phase-Change Random Access Memory，PRAM），又名相变存储器（PCM），是一个充满希望的内存技术。它具有广泛的电阻范围，大约是3个数量级，因此，多层次的PRAM允许多个bit的存储每单元。

相变随机存储器是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器。PCRAM是一种具有较长历史的新兴半导体存储技术，说它具有较长历史是因为该技术至今已经被研究了近40年，但由于加工技术限制和只有存储单元的尺寸达到纳米尺度才能充分体现出其优越性这两个因素的制约，在1970―1999年间，PRAM没有取得任何较大进展。直至1999年之后，随着半导体工业界的制备技术和工艺达到深亚微米甚至是纳米尺度，器件中相变材料的尺寸可以缩小到纳米量级，材料发生相变所需的电压和功耗大大降低，可与现有的CMOS相匹配，并且与现有主流半导体存储技术相比，PRAM的优势愈加明显，特别是2001年之后，国际上英特尔、三星等大公司对该技术非常重视，纷纷投入大量的人力、物力和财力开展 PRAM的可制造性和商业化推进的研究工作，并在最近几年内取得了很大的突破，PRAM技术进入了快速发展阶段。

3. PRAM的工作原理

一个PRAM基元的基本结构包括一个标准的NMOS晶体管和一个小体积的相变材料，即GST（Ge2Sb2Te5），如图1所示。该相变材料加热后可以从非晶相（复位或“0”状态）切换到晶相（设置或“1”状态），反之亦然。

图1 PRAM基元结构

有两种PRAM写入操作，设置操作的切换到结晶相和复位操作，切换到非晶相的GST。设置操作结晶的GST加热温度高于它的结晶，而复位操作熔淬GST，使材料的非晶。这两项行动是控制电流：高的存储单元的上述GST的熔化温度的复位操作，热功率脉冲，温和的权力，但对的上述GST结晶温度设置操作热脉冲持续时间较长，但低于熔化温度。温度是通过控制一定数量的电流通过，产生所需的焦耳热。

读取数据PRAM单元中存储，一个小的电压适用于整个GST。由于设置状态和RESET地位，都对他们的等效电阻大的差异，数据是通过测量感应电流通过传递。读取的电压设置为足够强大援引探测当前，但仍足够低，以避免写干扰。像其他内存技术，每个PRAM基元都需要一个接入设备控制的目的。如图3，每一个基本PRAM单元包含一个显示GST和一个NMOS管接入晶体管。这种结构有一个“1T1R”其中的“T”是NMOS晶体管，“R”代表代表的GST。 PRAM的每个单元GST是连接到系列NMOS管区域，以便在PRAM的数据存储单元可以访问控制。

4. PRAM与各类存储器的比较

PRAM是一种新兴的半导体存储器，与目前主流及在研的多种半导体存储技术相比，包括常规的易失性技术，如静态随机存储器、动态随机存储器等，和非易失性技术，如电可擦除可编程只读存储器、闪速存储器、铁电随机存储器、磁阻随机存储器等，具有非易失性、循环寿命长（>1013次）、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照 （抗总剂量的能力大于1Mrad）、耐高低温（-55～125℃）、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单 （能和现在的集成电路工艺很好地相匹配）等优点。因此，PCRAM被认为最有可能取代目前的SRAM、DRAM和 FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流产品，和最先成为商用产品的下一代半导体存储器件之一。PRAM与现行各类存储器的比较见表1。

表1 PRAM与现行存储器比较

未来的半导体存储器仍将沿着大容量化、高速化和低压低功耗化的方向发展，由微电子向纳电子器件过渡是必然的趋势。C―RAM存储器所面临的主要问题是如何实现纳电子化，即器件单元的尺寸达到纳米量级，相应地需要解决一系列关键工艺：纳米薄膜的制备工艺和纳米器件的制备工艺（纳米曝光、刻蚀和抛光工艺等）等。

5. 未来展望

在过去几十年里， FRAM的MRAM以及PRAM三个新兴存储器的竞争趋向白热化。在这项竞争中，由于存储器技术发展在美国获得专利的数量明显上升，如图2。

对于PRAM，第一次成功的目标很可能会是嵌入式的NOR闪存，然后是独立的NOR闪存。PRAM闪存是否能够取代DRAM，NAND和HDD，在大量的研究和发展方面的进展之前，还有待观察。仅仅是更换现任存储器之一，是一项艰巨的任务。眼下的任务是说服的潜在客户，PRAM和被取代的现任存储技术是同样可靠的。现场可靠性数据需要很长的时间来收集，收集这些数据始终是一个艰巨的任务。

图2 FRAM，MRAM和PRAM在美国的专利许可

但是无论如何，存储技术将会继续发展，未来必将有更多更新的存储器芯片技术不断涌现，以满足不同的应用需求。更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本的存储技术将是未来的发展方向。

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