非易失性半導(dǎo)體存儲器的相變機(jī)制非易失性存儲器（NVM）在半導(dǎo)體市場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)對非易失性存儲器的要求更高，數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用需要寫入速度極快的高密度存儲器，而代碼執(zhí)行應(yīng)用則要求存儲器的隨機(jī)訪存速度更快。經(jīng)過研究人員對浮柵存儲技術(shù)的堅持不懈的研究，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)在人們越來越關(guān)注有望至少在2020年末以前升級到更小技術(shù)節(jié)點(diǎn)的新式存儲器機(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機(jī)制，相變存儲器（PCM）就是其中一個最被業(yè)界看好的非易失性存儲器，具有閃存無法匹敵的讀寫性能和升級能力。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，因為它遵守一個偽二元構(gòu)成方式（在GeTe和Sb2Te3之間），以下簡稱GST。在基于硅的相變存儲器中，不同強(qiáng)度的電流經(jīng)過加熱器（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)周圍的可寫入容量（圖1）。在經(jīng)過強(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)通常用時不足100ns，單元的熱時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，脈沖時間較長。存儲單元寫入操作所用的不同電流產(chǎn)生了存儲器的直接寫入特性。這種直接寫入功能可簡化存儲器的寫入操作，提高寫入性能。TopElectrodeResistor**(Heater)Resistor**(Heater)CrystaINne

GSTBottomElectrode圖1a：PCM存儲元件的橫截面原理圖

rnow)rnow)圖化：寫入操作過程中的模擬溫度曲線圖使用比寫入電流低很多的且無重要的焦耳熱效應(yīng)的電流讀取存儲器，從而可以區(qū)別高電阻（非晶體）和低電阻（品體）狀態(tài)。PCM被業(yè)界看好是因為兩大原因。第一原因是存儲器功能性增強(qiáng)：這些改進(jìn)之處包括更短的隨機(jī)訪存時間、更快的讀寫速度，以及直接寫入、位粒度和高耐讀寫能力。整合今天的閃存和快速動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（DRAM）的部分特性，PCM技術(shù)將存儲器的功能提升到一個新的水平，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圖2：存儲技術(shù)屬性比較存儲單元小和制造工藝可以升級是讓人們看好PCM的第二大理由。相變物理性質(zhì)顯示制程有望升級到5nm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)到下一個十年期。采用一項標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)整合PCM概念、存儲單元結(jié)構(gòu)及陣列和芯片測試載具的方案已通過廣泛的評估和論證。128Mb高密度相變存儲器原型經(jīng)過90nm制程論證，測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PCM整合細(xì)節(jié)理解水平，下一個開發(fā)階段將是采用升級技術(shù)制造千兆位（Gbit）級別的PCM存儲器?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】GAtwoodandR.Bez,“Currentstatusofchalcogenidephase-changememory”，DeviceResearchConference(DRC),SantaBarbara(CA),June20-22,2005.R.BezandGAtwood,“ChalcogenidePhaseChangeMemory:ScalableNVMfortheNextDecade?”21stIEEENon-VolatileSemiconductorMemoryWorkshop,p.12,Monterey(Ca),2006.F.Pellizzer,A.Benvenuti,B.Gleixner,Y.Kim,B.Johmson,M.Magistretti,T.Marangon,A.Pirovano,R.Bez,GAtwood,A90nmPhase-ChangeMemoryTechnologyforStand-AloneNon-VolatileMemoryApplications,Symp.onVLSITech.,pp.122-123,2006.A.Pirovano,F.Pellizzer,I.Tortorelli,R.Harrigan,M.Magistretti,P.Petruzza,E.Varesi,D.Erbetta,T.Marangon,F.Bedeschi,R.Fackenthal,GAtwoodandR.Bez,Self-AlignedMTrenchPhase-ChangeMemoryCellArchitecturefor90nmTechnologyandBeyond,Proc.ESSDERC07,pp.222-225,2007.J.E.Brewer,GAtwood,R.Bez,"Phasechangememories"inNonvolatileMemoryTechnologieswithEmphasisonFlasheditedbyJ.E.BrewerandM.Gill,IEEEPressSeriesonMicroelectronicsSystems,Wiley-Interscience,pag.707-728,2007.R.Bez,R.J.Gleixner,F.Pellizzer,A.Pirovano,GAtwood“PhaseChangeMemoryCellConceptsandDesigns”inPhaseChangeMaterials-ScienceandApplicationseditedbyS.RouxandM.Wuttig,SpringerVerlag,ISBN:978-0-387-84873-0e-ISBN:978-0-387-84874-7,pag.355-380,2008.關(guān)于作者RobertoBez恒憶研發(fā)中心技術(shù)開發(fā)部研究員，負(fù)責(zé)恒憶相變存儲技術(shù)(PCM)的研發(fā)工作。Roberto于1987年加入意法半導(dǎo)體。