非揮發性存儲器

存儲器大致可分為兩大類：揮發性存儲器和非揮發性存儲器。

揮發性存儲器在系統關閉時立即失去存儲在內的信息， 它需要持續的電源供應以維持數據。一般稱之為 RAM，有兩種主要的類型：動態隨機存取內存 （DRAM）和 靜態隨機存取內存 （SRAM）。

非揮發性存儲器在系統關閉或無電源供應時仍能保持數據信息。一個非揮發性存儲器（ NVM）器件通常也是一個 MOS管，擁有一個源極，一個漏極，一個門極另外還有一個浮柵（ FLOATING GATE）。它的構造和一般的 MOS管略有不同： 多了一個浮柵。 浮柵被絕緣體隔絕於其他部分。非易失存儲器又可分為浮柵型和電荷阱型。

非揮發性存儲器(以其高存儲密度、較低的功耗、隨機讀寫和優良的工藝兼容性等諸多優點，尤其是斷電後還可以保留原有數據的特點，逐漸在存儲系統中扮演越來越重要的角色。傳統的非揮發性存儲器主要有可擦寫可編程只讀存儲器（EPROM）、閃存（Flash）、電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）等。近些年，隨着科學技術的發展，一些新型的非揮發性存儲器也開始嶄露頭角，其中包括磁性隨機存儲器（MRAM）、鐵電存儲器（FeRAM）和相變存儲器（PCM）。 ^[1] 

在浮柵型存儲器中， 電荷被儲存在浮柵中， 它們在無電源供應的情況下仍然可以保持。 所有的浮柵型存儲器都有着類似的原始單元架構。它們都有層疊的門極結構如圖1所示。 第一個門極被埋在門極氧化層和極間氧化層之間， 極間氧化層的作用是隔絕浮柵區， 它的組成可以是氧 -氮- 氧，或者二氧化硅。 包圍在器件周圍的二氧化硅層可以保護器件免受外力影響。 第二個門極被稱為控制門極， 它和外部的電極相連接。浮柵型器件通常用於 EPROM和 EEPROM。

電荷阱型器件是在 1967 年被髮明的，這也是第一個被髮明的電編程半導體器件。在這類型的存儲器中，電荷被儲存在分離的氮阱中，由此在無電源供應時保持信息。 電荷阱器件的典型應用是在 MNOS、SNOS和 SONOS中。圖2展示了一個典型的 MNOS電荷阱型存儲器的結構。 MNOS中的電荷通過量子機制穿過一層極薄的氧化層（一般為1.5-3nm）從溝道中被注入氮層中。

傳統非揮發性性存儲器以 Flash 為主，2012 年 NAND 型 Flash 已經發展到 32 nm/64 Gbit 技術。在集成電路上，Flash 存儲器是使用最廣泛的、工藝線寬最小的、單元集成密度最高的器件。Flash 存儲器的發展來源於 1967 年貝爾實驗室的 D. Kahng 和 S. M. Sze 所提出的浮柵型（Floating gate）的非揮發性半導體存儲器，它的主要組成部分為：襯底、隧穿氧化層（Tunnel oxide）、浮柵電極（Floating gate）、控制柵氧化層（Control oxide）、控制柵電極（Control gate）、源極（Source 和漏極（Drain）），其結構如圖3所示。Flash 存儲器的數據存儲是通過浮柵電荷存儲技術對 MOS 管閾值特性的改變來實現的。

Flash 存儲器由於其成本低、讀寫速度較快、存儲密度大等優點而成為最成熟的主流的非揮發性存儲器中。但隨着摩爾定律的發展，Flash 越來越達到它的極限。 ^[2] 

FRAM 全稱為“Ferroelectric random access memory”，它的存儲原理是通過施加外電場改變鐵電晶體材料（如 PZT）的極化方向和利用其自發極化和特性進行存儲。圖4 給出了 FRAM 的工作原理，以 PZT 鈣鈦礦型材料為例：PZT 材料晶胞中的

或

在居里温度下，會由於自發畸變而與其它原子發生了相對位移，電偶極子產生，發生自發極化。若再施加外電場，則

或

原子會沿着電場方向移動，從而導致極化方變化，與電場方向一致。但電場撤走後，中心原子在偏移後的位置保持，這使得鐵電材料有剩餘極化。電場方向不同，剩餘極化的方向就不同。可以利用兩個不同極化方向來可存儲“0”和“1”。讀數據時，是利用判定極化方向的電流不同來進行區分。高速、抗輻照和低功耗等優點的FRAM ，在各科學領域中有着廣泛應用。世界已有公司，如 Symetrix、Fujitsu、NSC、Siemens、 Sharp、Samsung 和 Ramtron 等，從 1980 年開始就有各自的 FRAM產品推出。但是，目前 FRAM 存在着一些阻擾其應用問題，如需要高温晶化處理、容量小、可靠性差，與傳統 CMOS 工藝不兼容等。 ^[2] 

PRAM 全稱為“Phase Random Access Memory”，通常也被稱為PCM、PCRAM或 OUM（Ovonics Unified memory）等。相變特性是指材料在晶態（Crystalline）和非晶態（Amorphous）可以相互轉換，且兩種狀態之問呈現出不同的電阻特性，以此來進行數據存儲。

圖5是相變存儲器的器件結構圖。相變存儲器的結構主要分為三層：從上到下分別為上電極（Top Electrode），具有相變特性材料的中間層和下電極（BottomElectrode），可以為金屬薄膜或半導體材料。

PRAM 器件具有非常簡單的 M-I-M 或 M-I-S 結構，只要在器件兩端施加不同的電脈衝，就可以使得相變薄膜材料在晶態與非晶態之間發生轉變，呈現出不同的電阻態，進行數據存儲。PRAM 在讀寫速度、集成密度和存儲窗口上都表現優越，而且具有多值存儲的潛力。在尺寸縮小方面，PRAM 中的相變材料在 10nm 以下仍然表現出很好的相變特性。但 PRAM 有一個致命的缺陷，在擦除（RESET）過程中需要大尺寸晶體管驅動較大的電流（>100uA），增加了芯片的功耗，制約了其在小尺寸工藝中的應用。 ^[2] 

MRAM 全稱為“Magnetoresistive Random Access Memory”，MRAM 的工作原理是利用電子自旋的特性，以電流產生磁場控制自由層（Free layer）的電子自旋方向，而結構中的固定層（Pinned layer）磁性薄膜是一層固定電子自旋方向的薄膜。在組件操作方面，若自由層與固定層自旋方向相同時，電子能夠輕易地穿透中間的穿透層（Tunnel barrier 或稱為 Barrier layer），使 MRAM 呈現低電阻態;當固定層自旋方向與自由層方向相反時，電子難以穿透中間的穿透層，使MRAM 呈現高電阻態，如圖6所示。在進行訊號讀取的過程中，當電阻值較高時，會得到較大的 Vout；當電阻值較低時，會得到較小的 Vout。因此可以利用 Vout的大小來判定訊號為 0 或 1，如圖7所示。

MRAM 的數據雖然是以磁性狀態進行存儲，但其讀取數據的方式是靠測量電阻來感知，對其磁性狀態不會造成干擾。MRAM 作為新型非揮發性存儲器，在存取速度、次數和功耗上都較優越，但要投入市場應用，還需解決以下難題：寫或擦除數據時的磁性干擾問題；複雜的磁性材料薄膜製備工藝，且其薄膜厚度不容易控制，影響器件的均勻性；與傳統 CMOS 工藝的兼容方面，有待進一步地優化。 ^[2] 

RRAM 的全稱為“Resistance Radnom Acess Memory”，RRAM 在器件製作上具有 Metal-Insulator-Metal（MIM）的簡單結構。其中金屬（M）是用來當作信號傳輸的良好電子導體。選擇上下電極的材料的時候，可以選用不一樣的或是一樣的材料。另外，電極不一定只能用金屬元素，只要是電子的良好導體，都能拿來當作電極使用（例如：P 型 Si）。而絕緣層（I）必須要有良好的電阻切換特性，能在給予偏壓時，控制電子的傳導行為。在現今的研究中，“I”絕緣層的種類主要有以下幾種：過渡金屬氧化物、有機材料與 SiOx等。

在 RRAM 的形成機制中，目前大多數人在用電阻絲理論（Filament theory）：通過在絕緣體的外部偏置影響，電子在陰極生成，並通過絕緣層到達陽極。載流子經過絕緣層時會造成宛若樹枝狀的電阻絲通道，如圖8所示。利用第一次給予器件的偏壓，使得在絕緣層中電荷相互累積造成組件崩潰（Breakdown），產生大量電流流通，此過程被稱為電致形成過程（Forming process）。而在漢城大學 C. S.Huang 的研究團隊，關於氧化鈦系統的電阻式存儲研究中，認為在 Forming 過程，氧負離子受電壓影響向陽極擴散，留下鈦的四價離子或氧空位，從而導通途徑。

當電阻絲經過 Forming process 形成後，再控制外加的電壓與電流，可以使RRAM 組件在高阻態（High Resistance State， HRS）與低阻態（Low Resistance State，LRS）來回切換，如圖9所示；利用 RRAM 電阻值的高低來儲存 0 與 1 的訊號。 ^[2] 

通過以上介紹可以看出，每種存儲器都各有優缺點，從定性上比較，如圖10所示。DRAM 和 SRAM 雖然存取速度快，但數據易失；Flash 應用最成熟，但未來發展不容樂觀；FRAM 有特殊的抗輻照能力，但其與 CMOS 工藝不兼容；PRAM可多值存儲，但功耗過大；MRAM 存儲能力不錯，但易受干擾；RRAM 結構簡單、操作速度快、功耗小、工藝與 CMOS 兼容性高、可多位存儲（Multi-level）等。

圖11為存儲器參數對比，可以看出，在讀寫速度和單元面積方面，RRAM 優於其它新型非揮發性存儲器。其讀寫速度目前最快可達到 5ns，單元面積目前為8

（F 為特徵線寬尺寸），以後有望達到 4

；而且 RRAM 的結構單元可以在三維方向上堆疊集成，這大大提高了存儲密度。此外，電阻式存儲器的製作和傳統的半導體工藝相兼容，這為其投入市場應用提供了強有力的保證。但業界認為，電阻式存儲器的阻變機理尚處於模糊階段，其實用產品還沒推出。 ^[2]