幾種新型非易失存儲(chǔ)器的原理及發(fā)展趨勢(shì)

蔣明曦，劉春巖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

幾種新型非易失存儲(chǔ)器的原理及發(fā)展趨勢(shì)

蔣明曦，劉春巖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

介紹幾種有發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资Т鎯?chǔ)器的原理，如鐵電存儲(chǔ)器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器、相變存儲(chǔ)器和阻變存儲(chǔ)器等，并在性能方面作了對(duì)比，最后對(duì)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

非易失存儲(chǔ)器；鐵電存儲(chǔ)器；磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器；相變存儲(chǔ)器；阻變存儲(chǔ)器

1 引 言

飛速發(fā)展的電子信息技術(shù)，對(duì)電子信息的存儲(chǔ)及處理產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)高速上升趨勢(shì)。而現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)暴露出自身的一些缺陷，如SRAM、DRAM的弱點(diǎn)是其易失性，斷電情況下信息丟失且易受電磁輻射干擾，這一缺陷極大地限制了該技術(shù)在國(guó)防、航空航天等一系列關(guān)鍵高科技領(lǐng)域的應(yīng)用。FLASH、EEPROM的寫入速度慢，且寫入算法比較復(fù)雜，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中高速和高可靠寫入的要求，且功耗較高，無(wú)法滿足嵌入式應(yīng)用的低功耗要求。因此對(duì)現(xiàn)有信息存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能提出了高速度、高密度、長(zhǎng)壽命、低成本和低功耗等更高要求，迫切需要在存儲(chǔ)器材料和技術(shù)方面取得突破。在這些需求的驅(qū)動(dòng)下，相繼出現(xiàn)了一些新型非易失存儲(chǔ)器（NVM，Nov_volatile Memory），如鐵電存儲(chǔ)器（FRAM，F(xiàn)erroelectric Random Access Memory）、相變存儲(chǔ)器（PRAM，Phase Change Random Access Memory）、磁存儲(chǔ)器（MRAM，Magnetic Random Access Memory）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM，Resistive Random Access Memory）。

2 新型非易失存儲(chǔ)器原理介紹

2.1 鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）

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)。其核心技術(shù)是鐵電晶體材料，存儲(chǔ)原理是基于鐵電晶體材料的高介電常數(shù)和鐵電極化特性，鐵電薄膜與半導(dǎo)體集成使得鐵電存儲(chǔ)產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性。FRAM的工作原理是利用金屬-鐵電-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MFSFET）結(jié)構(gòu)，鐵電薄膜用來(lái)替代MOS管中的柵極氧化硅層，鐵電薄膜的極化控制了表面電勢(shì)，因而控制了源極與漏極之間的電流，由極化狀態(tài)的不同造成電流的差異用來(lái)感應(yīng)邏輯信號(hào)。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)的寫入與讀取。NDRO模式存儲(chǔ)器以鐵電薄膜來(lái)替換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。圖1是FRAM結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖1 FRAM結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 磁性存儲(chǔ)器（MRAM）

MRAM是利用磁性隧道結(jié)（MTJ）的隧穿磁電阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)的，隧穿磁電阻效應(yīng)是指MTJ的電阻在磁場(chǎng)中發(fā)生變化的物理效應(yīng)。

元結(jié)構(gòu)中MTJ有三層面（見圖2），最上面為自由層，中間是隧道結(jié)，下面是固定層。自由層的磁場(chǎng)極化方向是可以改變的，而固定層的磁場(chǎng)方向固定不變。當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低阻態(tài)；當(dāng)磁場(chǎng)方向相反時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。也就是說(shuō)電阻的變化同電子的自旋極化隧穿輸運(yùn)相關(guān)。MRAM通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元電阻的高低，來(lái)判斷所存的數(shù)據(jù)是0還是1，如圖3所示。

圖2 MTJ結(jié)構(gòu)圖

圖3 MRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

2.3 相變存儲(chǔ)器（PRAM）

PRAM是利用可逆相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)的導(dǎo)電性差異實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。PRAM是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，用的材料為硫系玻璃，基于硫族材料的電致相變，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。每一個(gè)存儲(chǔ)單元在被加熱時(shí)呈晶體狀，表示1；反之則為非晶體，表示0。只要施加很小的復(fù)位電流就可以實(shí)現(xiàn)這兩種狀態(tài)的切換。

圖4 相變存儲(chǔ)材料

2.4 阻變式存儲(chǔ)器（RRAM）

RRAM是以薄膜材料的電阻在適當(dāng)電壓下可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換的原理，如果把高阻狀態(tài)定義為“1”，低阻狀態(tài)定義為“0”，則這種電阻就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。

RRAM的存儲(chǔ)單元具有簡(jiǎn)單的金屬／阻變存儲(chǔ)層／金屬（MIM）三明治結(jié)構(gòu)（見圖5）。

3 幾種新型非易失存儲(chǔ)器性能分析

這幾種新型存儲(chǔ)器的共同特點(diǎn)是其存儲(chǔ)單元都是基于不同材料特性，而不是傳統(tǒng)的電荷存儲(chǔ)技術(shù)的非易失性存儲(chǔ)器。因此其存儲(chǔ)單元的材料和結(jié)構(gòu)決定了存儲(chǔ)單元本身具有天然抗輻照的特性。也就是說(shuō)基于材料特性的存儲(chǔ)單元（如FRAM、MRAM、 RRAM、PRAM）抗輻照性能高于基于電荷存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)單元（如Flash）。而基于材料特性的存儲(chǔ)器的整體抗輻照性能，主要取決于存儲(chǔ)陣列外圍電路的抗輻照能力。

圖5 RRAM器件結(jié)構(gòu)示意圖

FRAM的讀寫速度主要取決于鐵電材料的極化反轉(zhuǎn)，而目前所用的鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)速度理論上可達(dá)到皮秒量級(jí)。鐵電材料的特性使得在不加電的情況下狀態(tài)能夠保持穩(wěn)定不變，因此FRAM不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個(gè)物理過(guò)程中沒(méi)有任何原子碰撞，擁有高速讀寫、超低功耗和無(wú)限次寫入等超級(jí)特性。因此鐵電晶體材料在高性能領(lǐng)域方面正在逐步替代EEPROM和FLASH器件。

MRAM運(yùn)用磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在容量成本上有了很大的降低，同時(shí)具有非揮發(fā)性、低功耗、高速存取、無(wú)限次讀寫、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在空間、軍事、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用有很大優(yōu)勢(shì)。MRAM主要的替代目標(biāo)是DRAM和SRAM。大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)器架構(gòu)，是由高速作業(yè)用存儲(chǔ)DRAM和雖然速度慢、但存儲(chǔ)容量較大的閃存構(gòu)成的。而MRAM速度快、可反復(fù)擦寫，因此最適合作為高速作業(yè)用存儲(chǔ)器。又因?yàn)镸RAM不會(huì)揮發(fā)，所以不用像DRAM一樣升級(jí)更新，因此可以把電力消耗降低至1／10以下。

PRAM被視為FLASH和DRAM的接班人。讀寫速度是普通閃存的30倍，同時(shí)其擦寫壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點(diǎn)是高效能和低耗電。高存取速度、非易失性、工藝簡(jiǎn)單和多值化存儲(chǔ)是其最主要的優(yōu)勢(shì)。

RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進(jìn)工藝微縮等優(yōu)點(diǎn)因而受到廣泛關(guān)注。很多公司和科研機(jī)構(gòu)都在研究如何采用新型存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA的編程技術(shù)，克服傳統(tǒng)FPGA編程技術(shù)的缺陷，促使FPGA向更大容量、更低功耗和更高性能發(fā)展。表1給出了這幾種存儲(chǔ)器已有產(chǎn)品的性能對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 幾種存儲(chǔ)器的性能比較

4 幾種新型非易失存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

FRAM目前作為新型存儲(chǔ)器的主要問(wèn)題是鐵電薄膜材料。據(jù)報(bào)道目前產(chǎn)品化容量已達(dá)8MBit。主要的鐵電薄膜材料有兩類：一類是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛Pb（Zr Ti）O3（即PZT），另一類是鉍系層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鉭酸鍶鉍SrBi2Ta2O9（即SBT）。目前成熟的工藝采用PZT鐵電材料、堆疊式存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。FRAM未來(lái)發(fā)展要解決的主要難題：一是采用3D單元結(jié)構(gòu)縮小單元面積提高集成度；二是提高鐵電薄膜性能。

MRAM的主要缺點(diǎn)為制造成本十分高昂，據(jù)報(bào)道目前產(chǎn)品化容量已達(dá)256MBit，主要面向工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。但其改進(jìn)型STT-MRAM和NAND閃存一樣可以通過(guò)提高制程犧牲一些壽命換取成本下降，另外MRAM是在集成硅電路的磁性材料中存儲(chǔ)信息，周圍的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生一定影響，對(duì)于高磁環(huán)境下的磁場(chǎng)屏蔽也是值得考慮的問(wèn)題。

PRAM的最大問(wèn)題是成本和容量。據(jù)報(bào)道目前產(chǎn)品容量已達(dá)512MBit，PRAM的單位容量成本比MLC NAND還高不少。此外，與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25nm工藝生產(chǎn)的NAND型閃存相比，使用更先進(jìn)的工藝生產(chǎn)還需要解決一些問(wèn)題，其中一個(gè)很大的問(wèn)題是發(fā)熱。由于PRAM需要使用加熱電阻來(lái)使相變材料發(fā)生相變，工藝越先進(jìn)，單元越精細(xì)，對(duì)加熱元件的控制要求也越高，發(fā)熱帶來(lái)的影響也越大。發(fā)熱和較大的耗電量可能會(huì)限制PRAM的進(jìn)一步發(fā)展。

RRAM是一項(xiàng)前沿的研究課題。目前關(guān)于RRAM物理機(jī)制的研究已取得了較快進(jìn)展，但這些機(jī)制大都停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上，缺乏直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。電阻轉(zhuǎn)變部位的確認(rèn)、電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程中元素的變化以及電阻轉(zhuǎn)變的重復(fù)性問(wèn)題，是當(dāng)前RRAM研究所面臨的緊要問(wèn)題。同時(shí)，在眾多材料中尋找性能、制備、拓展性都滿足要求的材料仍是RRAM發(fā)展的關(guān)鍵。可以預(yù)期的是，在未來(lái)的若干年時(shí)間中它將會(huì)更廣泛地應(yīng)用于具有各種各樣新型智能化功能的電路芯片，乃至使電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型非易失存儲(chǔ)器以其超高速、大容量、高可靠及超低功耗等特點(diǎn)在國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域中越來(lái)越受到親睞，國(guó)外大公司在新型非易失存儲(chǔ)器的研究中都有著不同的選擇，并不斷推出新產(chǎn)品。技術(shù)方面各種機(jī)理研究已基本完善，關(guān)鍵技術(shù)焦點(diǎn)主要集中在材料的選擇和工藝的成熟性。國(guó)內(nèi)在新型非易失存儲(chǔ)器領(lǐng)域的研究也已經(jīng)開展多年，國(guó)家也投入了不少，取得了一些進(jìn)展，但距離工程化還有差距。應(yīng)該加強(qiáng)FRAM、MRAM、PRAM的工程化技術(shù)研究，加大RRAM的研究力度，特別是其加固性能的研究應(yīng)該得到重視。

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Principle and Development of Several Nonvolatile Memories

JIANG Ming-xi，LIU Chun-yan
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The article introduces the principle of such nonvolatilememorirs as FRAM（Ferroelectric Random Access Memory），PRAM（Phase Change Random Access Memory），MRAM（Magnetic Random Access Memory），RRAM（Resistive Random Access Memory），etc.，and compares their performance.Finally，itmakes an analysis on them for the existing problems and the development trend.

NVM；FRAM；PRAM；MRAM；RRAM

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.02.002

TN4

B

1002-2279（2014）02-0005-03

蔣明曦（1981-），女，吉林省松原市人，工程師，主研方向：微電子技術(shù)研究。

2013-12-19