PCRAM

近年來，非易失性存儲技術在許多方面都取得了一些重大的進展，為計算機系統的存儲能效提升帶來了新的契機，研究者們建議採用新型NVM技術來替代傳統的存儲技術，以適應計算機技術發展對高存儲能效的需求。以相變隨機存儲器（PCRAM）為代表的多種新型NVM技術因具備高集成度、低功耗等特點而受到國內外研究者的廣泛關注。特別地，PCRAM因其具備非易失性、可字節尋址等特性而同時具備作為主存和外存的潛力，在其影響下，主存和外存之間的界限也正在逐漸變得模糊，甚至有可能對未來的存儲體系結構帶來重大的變革。因此，PCRAM被認為是極具發展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技術之一。

有關PCRAM技術的研究最早可以追溯至1917年，當時 Waterman 發表論文稱發現能夠逐步改變硫化物 的電導率，並使其在兩種不同相態時分別呈現出高電阻率和低電阻率兩個不同電學特性等一些相變材料所具有的重要特性。但是，由於受到當時的科研條件限制，以及缺乏使相變材料實現熔融淬火的相關技術， Waterman 沒有能夠進一步揭示相變材料的微觀晶格結構變化，並且無法使相變材料的電導率實現逆變。儘管由於相變材料的電導率不可逆等因素限制，這項研究在當時沒有引起學術界和產業界的足夠的重視，研究人員選擇使用其他的一些技術用於存儲數據（例如 20 世紀30 年代的機械穿孔卡、20 世紀 50 年代的磁芯存儲器等），但是 Waterman 的開創性工作使得相變材料成為存儲材料科學研究的一個新分支，引起了學術界和產業界的關注。1962 年，Pearson 等人發現了碲砷玻璃存在相變現象，並撰寫論文正式提出了“相變”理論。1966 年，Ovshinsky 第一次申請了相變存儲技術方面的專利。1968 年，Ovshinsky的研究成果打破了電導率不可逆變這一制約將相變材料應用於數據存儲領域的瓶頸，並公開發表了一篇關於相變理論研究的論文，他在文中詳細描述了一種相變材料在電場的作用下，能夠可逆地在非晶相狀態和結晶相態之間實現相互快速轉換，並且其在非晶相態時表現出高阻特性，在結晶相態時表現出低電阻特性，因此可以利用非晶相態和結晶相態分別表示數據“0”和“1”，用於存儲二進制信息，開啓了相變材料及相變存儲器件相關研究的先河。1970 年，Neale 和 Moore發表論文，詳細描述了一個具有 256bit 容量的PCRAM 存儲器件。

目前國內外都已經研製出實現讀、寫、擦全部功能的芯片，PCRAM 開始逐漸步入產業化進程。物質是能夠以多種相態存在的，相變材料至少存在非晶相態（分子結構雜亂無序）和結晶相態（分子結構整齊有序）兩種相態。處於非晶相態和結晶相態的相變材料，分別在光學性能和電學性能等方面都具有非常明顯的差異。於是，人們利用相變材料在不同相態時具有的這些特性差異來實現數據存儲，利用相變材料的光學性能差異來實現數據存儲的是相變光盤（CD、DVD和藍光光盤等），而利用相變材料的電學性能差異來實現數據存儲的是 PCRAM。當前，學術界和產業界研究最多、且相對較為成熟的相變材料是 Ge-Sb-Te 系列合金。這些相變材料不僅光學性能優異，而且電學性能也較為突出，非晶相態與結晶相態之間的電阻係數差異非常大，具備多值存儲潛力，特別是摻雜 In，Sn，Bi，Si，C 和 N 等元素後，各方面的特性均得到較大幅度的提升，因此已經被廣泛用於 PCRAM 研究和器件製備。 此外，PCRAM 器件結構不同，在微縮能力和功耗等方面也會有細微差別。 ^[1] 

當前研究的 PCRAM 主要器件結構有 T 型結構（即蘑菇型結構）、μ-Trench結構、邊緣接觸型結構和平面結構等。其中，T 型結構是目前學術界和產業界廣泛採用的器件結構，主要由底電極、相變材料層和頂電極等三個部分構成。T 型結構的 PCRAM 存儲單元如圖1。

PCRAM 的數據存儲功能是通過給器件中的一種或多種硫系化合物薄膜施加不同強度和不同時長的電脈衝，使其在不同程度電流焦耳熱的作用下分別呈現出不同電阻特性來實現的。相變材料在吸收一定量的熱能後，會在非晶相態和結晶相態之間實現快速相互轉變，並表現出非常明顯的電阻係數差異。相變材料在非晶相態時呈現出半導體特性，具有較高的電阻值；在結晶相態時呈現出半金屬特性，具有較低的電阻值。 因此， 可以分別通過相變材料在非晶相態和結晶相態時呈現出的不同電阻特性來分別表示需要存儲的數據。 ^[1] 

PCRAM 具有較好的微縮能力。研究表明，基於 20nm 工藝節點， PCRAM 技術的存儲密度大約是 DRAM 技術的 16 倍。 特別地，普通的 PCRAM 存儲單元根據相變材料在非晶相態和結晶相態兩種相態時呈現出的不同電阻特性來實現二值數據存儲，但是某些相變材料電學性能非常優異，在非晶相態和結晶相態兩種相態時表現出的電阻差異可以達到 5 個數量級，具備多值存儲潛力。PCRAM 多值存儲技術就是利用相變材料在不同相態時高、低電阻之間的巨大差異，在單個存儲單元上實現兩個及以上的存儲狀態，可以在製程工藝不變的情況下使存儲單元容量實現倍增的效果，從而能夠顯著地提高器件的集成度，大幅度地降低存儲成本，是當前PCRAM 存儲技術的重要研究方向之一。PCRAM 存儲單元實現單階存儲（即二值存儲）和二階存儲（四值存儲）的電阻分佈和單階存儲單元與二階存儲單元之間的轉換如圖2所示。

PCARM具有良好的非易失性。研究表明，PCRAM不僅泄露功耗非常低，而且相變材料的狀態也非常穩定，能夠在温度低於120攝氏度的環境裏，在掉電的條件下可以保持10年以上不變，從而具有非易失性。 ^[1] 

研究表明，PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優點，特別是與新型 CMOS 工藝兼容，在 5nm技術節點前不存在物理限制，具有廣泛的應用價值，是極具發展潛力的新型 NVM 之一。當前，PCRAM 已經逐步量產並開始投入商業應用，然而，較高品質的相變材料製備，以及相變材料在結晶相態和非晶相態之間相互轉換時所產生的高功耗是制約其商用應用的瓶頸。特別是寫操作延時大 （60ns~120ns， 大約是讀操作延時的 5~10 倍）、寫操作功耗高（大約是讀操作功耗10倍）和寫耐久性差是 PCRAM 進一步發展所亟需解決的問題。

綜上所述可以得出，與SRAM和DRAM相比， PCRAM具有非易失性、存儲密度更高、不需要刷新、抗輻射干擾等優點； 與 Flash 相比， PCRAM 具有讀寫速度快、使用壽命長、可以執行位操作等優點；與其它新型非易失性存儲器相比，PCRAM 具有持久性強、功耗低或者容量大、製造工藝簡單、研究相對更加成熟等優點；與 FeRAM 相比，具有存儲密度高、讀操作非破壞性等優點；與 STT-MRAM 相比，具有功耗低、穩定性強等特點；與 RRAM 相比，具有材料製備成熟、存儲密度高等優點。特別地，DRAM與FLASH進一步縮小會與新型CMOS兼容存在較大的技術瓶頸， 而 PCRAM 與新型 CMOS 技術兼容，並且具有良好的微縮能力，有研究表明在40nm 技術節點後能夠延續四代以上。 PCRAM 具有的優勢為其在存儲領域大規模應用奠定了堅實的基礎，是最有發展前景，也最有可能完全替代DRAM的新穎存儲技術之一。 然而， PCRAM也存在着一些明顯不足之處，特別是寫操作速度無法與 DRAM 相媲美，寫耐久性也與 DRAM 相差較大等。特別是寫耐久性差，是將其大規模應用於計算機系統所面臨的主要障礙之一，目前國內外研究人員正在研究一些解決方案來應對。 ^[1] 

與傳統的存儲器件相比，FeRAM、MRAM、RRAM和PCRAM等新型存儲技術具有集成度高、功耗低、讀寫訪問速度快、非易失、零或低空閒能耗、字節級編址、體積小和抗震等許多優良特性，為計算機的發展和存儲能效的提高帶來了新的契機，推動着計算機系統結構的變革。特別是PCRAM 因其具有的獨特優勢， 已經率先開始量產並投入商業應用，在新型數據中心和消費性電子產品市場上佔據着非常重要的位置，極有可能成為下一代主流的存儲技術。 ^[1]