非易失性半导体存储器的相变机制 (1)

　　非易失性存储器(NVM)在半导体市场占有重要的一席之地，特别是主要用于手机和其它便携电子设备的闪存芯片。今后几年便携电子系统对非易失性存储器的要求更高，数据存储应用需要写入速度极快的高密度存储器，而代码执行应用则要求存储器的随机访存速度更快。

　　经过研究人员对浮栅存储技术的坚持不懈的研究，现有闪存的技术能力在2010年底应该有所提升，尽管如此，现在人们越来越关注有望至少在2020年末以前升级到更小技术节点的新式存储器机制和材料。 

　　目前存在多种不同的可以取代浮栅概念的存储机制，相变存储器（PCM）就是其中一个最被业界看好的非易失性存储器，具有闪存无法匹敌的读写性能和升级能力。

　　在室温环境中，基于第六族元素的某些金属（硫族化合物）的晶态和非晶态的稳定性非常好。特别是GeSbTe合金最被看好，因为它遵守一个伪二元构成方式（在GeTe和 Sb2Te3之间），以下简称GST。 

　　在基于硅的相变存储器中，不同强度的电流经过加热器（电阻），到达硫化物材料，利用局部热焦耳效应，改变接触区周围的可写入容量（图1）。在经过强电流和快速猝灭后，材料被冷却成非晶体状态，导致电阻率增大。切换到非晶体状态通常用时不足100ns，单元的热时间常量通常仅为几纳秒。若恢复接触区的晶体状态，使材料的电阻率变小，需要施加中等强度的电流，脉冲时间较长。存储单元写入操作所用的不同电流产生了存储器的直接写入特性。这种直接写入功能可简化存储器的写入操作，提高写入性能。

图1a：PCM存储元件的横截面原理图

图1b：写入操作过程中的模拟温度曲线图