技术及其原理
Technology and Basic Theory
相变存储不同于需要依靠电子/电容来存储信息的第三代存储,它是依靠物理材料在非晶态(Amorphous)及晶态(Crystalline)间的转变,造成高低电阻的区别来存储0和1的信息。
透过电流对金属硫化物的加热和降温使其在晶态和非晶态间转变而完成“写”,“擦”,“读”的过程。因为物理的相变在不加热的时候是稳定的,不加热,PCM物质的相就不会改变,所以信息就不会丢失,从而达到非易失性的性能。并且PCM不依靠电子/电容来存储信息,就不会像第三代存储(DRAM及3D NAND),其信息会因为辐射的影响而改变。目前无论是INTEL、IBM、三星、海力士,还是意法半导体、长存、AMT都已经验证了存储单元的稳定性,从而可以广泛应用。
●“写” 过程
通过短暂的强电压脉冲转变的热能使相变材料达到熔点之后再快速淬火,使晶相(有序)遭到破坏,由多晶相进入非晶相。
●“擦”过程
通过一个时间较长、强度中等的电压脉冲转换的热能使相变材料的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下,并维持一定时间,使相变材料转化为多晶相。
●“读”过程
在不激发相变的条件下通过测量相变材料的电阻值来实现数据的读取。
PCM技术原理已在文献中有完整的的阐述,以下甄选两篇(原理1和原理2)如下供读者参考:
原理1:
相变存储器是一种由硫族化合物材料构成的新 型非易失存储器,它利用材料可逆转的物理状态变 化来存储信息,具有非易失性、工艺尺寸小、存储密 度高、循环寿命长、读写速度快、功耗低、抗辐射干扰 等优点.相变存储器介质材料在一定条件下会在非 晶体状态和晶体状态之间发生转变,在此过程中的 非晶体状态和晶体状态呈现出不同的电阻特性和光 学特性,因此,可以利用“0”和“1”分别表示非晶态和 5期 冒伟等:基于相变存储器的存储技术研究综述 945 晶态来存储数据[1].PCM写“1”是一个中温结晶的 过程,即对硫族化合物施加一个时间较长、强度中等 的电脉冲进行加热,使其温度上升到结晶温度以上、 溶化温度以下,从而导致结晶,这一过程也被称之为 SET过程;PCM写“0”是一个高温淬火的过程,即 使用一个强度很高但作用时间很短的电脉冲,使得 硫族化合物材料在温度上升到熔点之上后迅速经历 一个淬火(热量快速释放,降温速率大于109K/s)过 程,材料将由熔融状态进入非晶态,这个过程被称之 为RESET过程[3].综上可以看出PCM写“1”和写 “0”是不对称的,写“1”变化慢,需要的电流小,写“0” 变化快,需要的电流大,如图1所示(图中坐标为参 考值)。
图1PCM写“0”与写“1”的不对称
链接:http://cjc.ict.ac.cn/online/onlinepaper/mw-2015429144854.pdf
原理2:
相变存储器(Phase Change Random Access Memory, 简称PCRAM)的基本结构如图1所示,相变存储器的基本存储原理是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号,使相变材料发生物理相态的变化,即晶态(低阻态)和非晶态 (高阻态)之间发生可逆相变互相转换,从而实现信息的写入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程,其中前者被称为非晶化过程,后者被称为晶化过程。然后依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出,这种非破坏性的读取过程,能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。 相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级,使得其具有较高的噪声容限,足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物(英特尔为代表)和含锗、锑、碲的合成材料(GST),如Ge2Sb2Te5(意法半导体为代表)。
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