幾種新型非易失存儲器的原理及發(fā)展趨勢

蔣明曦，劉春巖

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

幾種新型非易失存儲器的原理及發(fā)展趨勢

蔣明曦，劉春巖

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

介紹幾種有發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资Т鎯ζ鞯脑?，如鐵電存儲器、磁性隨機存儲器、相變存儲器和阻變存儲器等，并在性能方面作了對比，最后對存在的問題和發(fā)展趨勢進行了分析。

非易失存儲器；鐵電存儲器；磁性隨機存儲器；相變存儲器；阻變存儲器

1 引 言

飛速發(fā)展的電子信息技術，對電子信息的存儲及處理產品的需求呈現(xiàn)高速上升趨勢。而現(xiàn)有存儲技術暴露出自身的一些缺陷，如SRAM、DRAM的弱點是其易失性，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在國防、航空航天等一系列關鍵高科技領域的應用。FLASH、EEPROM的寫入速度慢，且寫入算法比較復雜，無法滿足實時處理系統(tǒng)中高速和高可靠寫入的要求，且功耗較高，無法滿足嵌入式應用的低功耗要求。因此對現(xiàn)有信息存儲產品的性能提出了高速度、高密度、長壽命、低成本和低功耗等更高要求，迫切需要在存儲器材料和技術方面取得突破。在這些需求的驅動下，相繼出現(xiàn)了一些新型非易失存儲器（NVM，Nov_volatile Memory），如鐵電存儲器（FRAM，F(xiàn)erroelectric Random Access Memory）、相變存儲器（PRAM，Phase Change Random Access Memory）、磁存儲器（MRAM，Magnetic Random Access Memory）、阻變存儲器（RRAM，Resistive Random Access Memory）。

2 新型非易失存儲器原理介紹

2.1 鐵電存儲器（FRAM）

鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失內容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點。其核心技術是鐵電晶體材料，存儲原理是基于鐵電晶體材料的高介電常數和鐵電極化特性，鐵電薄膜與半導體集成使得鐵電存儲產品同時擁有隨機存取存儲器（RAM）和非易失性存儲產品的特性。FRAM的工作原理是利用金屬-鐵電-半導體場效應晶體管（MFSFET）結構，鐵電薄膜用來替代MOS管中的柵極氧化硅層，鐵電薄膜的極化控制了表面電勢，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感應邏輯信號。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，以鐵電薄膜電容取代常規(guī)的存儲電荷電容，利用鐵電薄膜的極化反轉來實現(xiàn)數據的寫入與讀取。NDRO模式存儲器以鐵電薄膜來替換MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過柵極極化狀態(tài)（±Pr）實現(xiàn)對來自源—漏電流的調制，使它明顯增大或減小，根據源—漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息。圖1是FRAM結構剖面圖。

圖1 FRAM結構剖面圖

2.2 磁性存儲器（MRAM）

MRAM是利用磁性隧道結（MTJ）的隧穿磁電阻效應來進行存儲的，隧穿磁電阻效應是指MTJ的電阻在磁場中發(fā)生變化的物理效應。

元結構中MTJ有三層面（見圖2），最上面為自由層，中間是隧道結，下面是固定層。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向固定不變。當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現(xiàn)低阻態(tài)；當磁場方向相反時，存儲單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。也就是說電阻的變化同電子的自旋極化隧穿輸運相關。MRAM通過檢測存儲單元電阻的高低，來判斷所存的數據是0還是1，如圖3所示。

圖2 MTJ結構圖

圖3 MRAM存儲單元結構

2.3 相變存儲器（PRAM）

PRAM是利用可逆相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)的導電性差異實現(xiàn)存儲。PRAM是一種非易失性存儲技術，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。每一個存儲單元在被加熱時呈晶體狀，表示1；反之則為非晶體，表示0。只要施加很小的復位電流就可以實現(xiàn)這兩種狀態(tài)的切換。

圖4 相變存儲材料

2.4 阻變式存儲器（RRAM）

RRAM是以薄膜材料的電阻在適當電壓下可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(xiàn)可逆轉換的原理，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現(xiàn)存儲數據的功能。

RRAM的存儲單元具有簡單的金屬／阻變存儲層／金屬（MIM）三明治結構（見圖5）。

3 幾種新型非易失存儲器性能分析

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

圖5 RRAM器件結構示意圖

FRAM的讀寫速度主要取決于鐵電材料的極化反轉，而目前所用的鐵電薄膜的極化反轉速度理論上可達到皮秒量級。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不需要定時刷新，能在斷電情況下保存數據。由于在整個物理過程中沒有任何原子碰撞，擁有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等超級特性。因此鐵電晶體材料在高性能領域方面正在逐步替代EEPROM和FLASH器件。

MRAM運用磁性存儲數據，在容量成本上有了很大的降低，同時具有非揮發(fā)性、低功耗、高速存取、無限次讀寫、抗輻射等優(yōu)點，在空間、軍事、移動通訊等領域的應用有很大優(yōu)勢。MRAM主要的替代目標是DRAM和SRAM。大多數移動設備的存儲器架構，是由高速作業(yè)用存儲DRAM和雖然速度慢、但存儲容量較大的閃存構成的。而MRAM速度快、可反復擦寫，因此最適合作為高速作業(yè)用存儲器。又因為MRAM不會揮發(fā)，所以不用像DRAM一樣升級更新，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，同時其擦寫壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點是高效能和低耗電。高存取速度、非易失性、工藝簡單和多值化存儲是其最主要的優(yōu)勢。

RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進工藝微縮等優(yōu)點因而受到廣泛關注。很多公司和科研機構都在研究如何采用新型存儲器來實現(xiàn)FPGA的編程技術，克服傳統(tǒng)FPGA編程技術的缺陷，促使FPGA向更大容量、更低功耗和更高性能發(fā)展。表1給出了這幾種存儲器已有產品的性能對比數據。

表1 幾種存儲器的性能比較

4 幾種新型非易失存儲器技術發(fā)展趨勢

FRAM目前作為新型存儲器的主要問題是鐵電薄膜材料。據報道目前產品化容量已達8MBit。主要的鐵電薄膜材料有兩類：一類是鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛Pb（Zr Ti）O3（即PZT），另一類是鉍系層鈣鈦礦結構的鉭酸鍶鉍SrBi2Ta2O9（即SBT）。目前成熟的工藝采用PZT鐵電材料、堆疊式存儲單元結構實現(xiàn)的。FRAM未來發(fā)展要解決的主要難題：一是采用3D單元結構縮小單元面積提高集成度；二是提高鐵電薄膜性能。

MRAM的主要缺點為制造成本十分高昂，據報道目前產品化容量已達256MBit，主要面向工業(yè)級產品。但其改進型STT-MRAM和NAND閃存一樣可以通過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信息，周圍的磁場會對芯片產生一定影響，對于高磁環(huán)境下的磁場屏蔽也是值得考慮的問題。

PRAM的最大問題是成本和容量。據報道目前產品容量已達512MBit，PRAM的單位容量成本比MLC NAND還高不少。此外，與已經實現(xiàn)25nm工藝生產的NAND型閃存相比，使用更先進的工藝生產還需要解決一些問題，其中一個很大的問題是發(fā)熱。由于PRAM需要使用加熱電阻來使相變材料發(fā)生相變，工藝越先進，單元越精細，對加熱元件的控制要求也越高，發(fā)熱帶來的影響也越大。發(fā)熱和較大的耗電量可能會限制PRAM的進一步發(fā)展。

RRAM是一項前沿的研究課題。目前關于RRAM物理機制的研究已取得了較快進展，但這些機制大都停留在實驗現(xiàn)象上，缺乏直接的實驗依據。電阻轉變部位的確認、電阻轉變過程中元素的變化以及電阻轉變的重復性問題，是當前RRAM研究所面臨的緊要問題。同時，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)展的關鍵?？梢灶A期的是，在未來的若干年時間中它將會更廣泛地應用于具有各種各樣新型智能化功能的電路芯片，乃至使電子與計算機科學技術等領域發(fā)生革命性的變化。

5 結束語

新型非易失存儲器以其超高速、大容量、高可靠及超低功耗等特點在國防、航空航天等領域中越來越受到親睞，國外大公司在新型非易失存儲器的研究中都有著不同的選擇，并不斷推出新產品。技術方面各種機理研究已基本完善，關鍵技術焦點主要集中在材料的選擇和工藝的成熟性。國內在新型非易失存儲器領域的研究也已經開展多年，國家也投入了不少，取得了一些進展，但距離工程化還有差距。應該加強FRAM、MRAM、PRAM的工程化技術研究，加大RRAM的研究力度，特別是其加固性能的研究應該得到重視。

［1］ 肖定全.鐵電薄膜研究中的幾個重要問題［J］.功能材料，2010（5）：32-35.

［2］ G I Meijer.Who wins the volatile memory race［J］.materialsscience，2008，319：1625-1626.

［3］ LEED，CHOIH，SIM H，et al.Resistance switching of the nonstoichiometric zirconium oxide for nonvolatile memory applications［J］.IEEE Elec Dev Lett，2005，26（10）：765-768.

［4］ 管偉華.前瞻非揮發(fā)性半導體存儲器研究［D］.北京：中國科學院微電子研究所，2008.

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：微電子技術研究。

2013-12-19