相变存储器技术基础

相变存储器技术基础

相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。

发展历史与背景

二十世纪五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质。1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年，他与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置（ECD）公司，发布了他们与Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。

近30年后，能量转换装置（ECD）公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。2000年12月，STMicroelectronics（ST）也与Ovonyx开始合作。至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。

在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。今天，大部分DVD-RAM都是使用与Numonyx相变存储器使用的相同的材料。

工作原理

相变硫属化物在由无定形相转向结晶相时会表现出可逆的相变现象。如图1，在无定形相，材料是高度无序的状态，不存在结晶体的网格结构。在此种状态下，材料具有高阻抗和高反射率。相反地，在结晶相，材料具有规律的晶体结构，具有低阻抗和低反射率。

图1 来源：Intel，Ovonyx

相变存储器利用的是两相间的阻抗差。由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变后的材料性质由注入的电流、电压及操作时间决定。基本相变存储器存储原理如图2所示。

图2 相变存储原理示例

如图所示，一层硫属化物夹在顶端电极与底端电极之间。底端电极延伸出的加热电阻接触硫属化物层。电流注入加热电阻与硫属化物层的连接点后产生的焦耳热引起相变。右图为此构想的实际操作，在晶体结构硫属化物层中产生了无定形相的区域。由于反射率的差异，无定形相区域呈现如蘑菇菌盖的形状。

相变存储器的特性与功能

相变存储器兼有NOR-type flash、memory NAND-type flash memory和 RAM或EEpROM相关的属性。这些属性如图3的表格。

图3 相变存储器的属性：这种新型非易失存储器兼有NOR、NAND和RAM的优点

一位可变

如同RAM或EEPROM，PCM可变的最小单元是一位。闪存技术在改变储存的信息时要求有一步单独的擦除步骤。而在一位可变的存储器中存储的信息在改变时无需单独的擦除步骤，可直接由1变为0或由0变为1。

非易失性

相变存储器如NOR闪存与NAND闪存一样是非易失性的存储器。RAM需要稳定的供电来维持信号，如电池支持。DRAM也有称为软错误的缺点，由微粒或外界辐射导致的随机位损坏。早期Intel进行的兆比特PCM存储阵列能够保存大量数据，该实验结果表明PCM具有良好的非易失性。

读取速度

如同RAM和NOR闪存，PCM技术具有随机存储速度快的特点。这使得存储器中的代码可以直接执行，无需中间拷贝到RAM。PCM读取反应时间与最小单元一比特的NOR闪存相当，而它的的带宽可以媲美DRAM。相对的，NAND闪存因随机存储时间长达几十微秒，无法完成代码的直接执行。

写入/擦除速度

PCM能够达到如同NAND的写入速度，但是PCM的反应时间更短，且无需单独的擦除步骤。NOR闪存具有稳定的写入速度，但是擦除时间较长。PCM同RAM一样无需单独擦除步骤，但是写入速度（带宽和反应时间）不及RAM。随着PCM技术的不断发展，存储单元缩减，PCM将不断被完善。

缩放比例

缩放比例是PCM的第五个不同点。NOR和NAND存储器的结构导致存储器很难缩小体型。这是因为门电路的厚度是一定的，它需要多于10V的供电，CMOS逻辑门需要1V或更少。这种缩小通常被成为摩尔定律，存储器每缩小一代其密集程度提高一倍。随着存储单元的缩小，GST材料的体积也在缩小，这使得PCM具有缩放性。

结论

相变存储器是一种很有发展前景的存储技术，近年来再次引起了研究人员的注意。相变存储器利用可逆的相变现象，通过两相间的阻抗差异来存储信息。Numonyx的早期工作和取得的进展，将该技术推向了可读写存储领域的前沿。相变存储器集成了NOR闪存、NAND闪存、EEPROM和RAM的特性于一体，这些功能连同存储系统低耗用的潜能，将能够在广泛地创造出新的应用和存储架构。