相变存储器
PRAM
PRAM：Phase Change Random Access Memory
研究动机
1.当代计算机性能提升最重要的一大障碍在于处理器从大容量存储中获 取数据花费的时间。（存储墙问题） 2.用户希望存储器能同时具有 DRAM 的高速度、高寿命和 FLASH 的低 成本、非易失的优点。
工作原理
RESET：PCM写0，使一个高温淬火的过程，对相变材料施加一个时间很短、 强度很高的电脉冲，使其温度上升到熔点以上之后迅速经历退火，材料将由熔 融状态进入非晶状态，即高阻态。
注意点： 1.退火要求热量尽快释放（10^9K/s）否则在退火过程中会有很多材料重新结晶 2.熔化温度很高，导致这一操作功耗较大
存储墙问题
处理器与存储器 发展不平衡
已有半导体存储器的局限
FLASH：在制程进入 1x nm 世代后，越 来越紧邻的存储单元之间的串扰效应，越 来越薄的栅氧化层，导致的电子击穿效应， 都使得NAND 的可靠性和性能受到影响。
DRAM：基本单元是一个晶体管加一个电容，并用电容有无电荷来表示数字 信息 0 和 1。随着微缩工艺的发展，沟道电容越来越难做。功耗高，掉电易 失。 SRAM：由触发器存储数据，用六管NMOS构成。价格昂贵，存储密度低，掉 电易失
B0 Bm
CS
R/W
读写电路设计
行译码器/列译码器：多级译码 灵敏放大器：读出的电流或者电压与参考值进行比较，从而得到存储单元中 存储的是0还是1
写驱动：产生不同幅值的电脉冲Fra bibliotek写方案
读方案
读写电路设计
读写策略 先读再写：避免冗余的写操作，可降低功耗，提高寿命
写完再读：防止写错误
实际产品举例
傲腾Optane Optane Memory 面向桌面的M.2缓存加速盘 （32GB 399 RMB）
1R，1D1R，1T1R
器件结构设计
1R结构 优点：工艺简单，成本低，成品率高，存储密 度高，有利于3D集成； 缺点：串扰严重。若存储阵列中一个存储单元 为高阻态，周围的存储单元为低阻态，在读取 高阻态单元的电阻值时，电流不单只流过该高 阻态单元，而且还会在周围的低阻态单元中形 成电流通路，由此读出的电阻值将和目标单元 的阻值形成一定的偏差，使读出的结果达不到 理想的要求。
工作原理
READ：在器件两端施加足够低的电流,得到电压参数，与标准值进行比较 从而判断阻值高低。如果得到高电压，则是高阻态，存储的数据是“0”；如 果得到低电压，则是低阻态，存储的数据是“1”。 由于流经相变区域的电流很小, 不足以引起材料的任何相变 , 是一种非破坏性 读取。
工作原理
器件结构设计
相变单元结构设计
一字型结构 重点：相变材料，加热电极，绝缘层材料， （潜在的还有选通管） 集成时，要减少写入电流才能提高密度减少 功耗；增加发热效率（减小接触面积，提高 电流密度），减少热散（低热导率绝缘材 料），增加发热体电阻
相变单元结构设计
T字形结构 相变单元共有五层结构： 第一层是下电极，也称阴极。电极层材料需要满 足以下要求：熔点要高于相变材料的熔点、电阻 率小、不易氧化。 第二层是绝缘层。作用：一是形成一个和电极接 触的圆柱形小孔，使得有效相变区域被限制在圆 柱小孔内。有效相变区体积小，相变所需热量小； 底面积越小小孔内材料电阻越大，有利于减小工 作电流。二是有效避免上下电极短路。 绝缘层材料要求有非常高的熔点，有效阻止相变 层材料的扩散；要有极佳热稳定性，能在发生相 变的五、六百摄氏度高温下保持绝缘保护性能。
相变存储器发展历程
2011年，三星展示在58 nm工艺节点 下的1Gbit PCRAM芯片，同时首次 实现全集成的20 nm节点的PCRAM 器件；国内中科院微系统所第一块具 有自主知识产权的8Mbit PCRAM芯 片研制成功，可实现读、写、擦的存 储器全部功能。
2012年，三星公司在国际固态电路 会议（ISSCC 2012）上报道了8Gbit 的PCRAM芯片，制程工艺进一步达 到20 nm。
相变单元结构设计
T字型结构 第三层是相变层和电极层。电极层能有效防 止相变层的氧化。相变层是相变材料所在处。 第四层是绝缘层。将相变层材料从四周保护 起来 第五层是上电极，和存储器的位线相连，也 是存储单元的阳极。
读写电路设计
整体模块
W0 wm
字线 译码
存储单元阵列
控制、 读写模块
Data
位线译码
性能对比
发展历程 材料特性 工作原理 内容 单元结构设计
读写电路设计
实际产品举例
相变存储器
相变存储器发展历程
奥弗辛斯基 (Stanford Ovshinsky)在1968年发表了第一篇关于非晶体相变 的论文，他首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体， 再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特 性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据，这一 学说称为奥弗辛斯基电子效应。相变存储器是基于奥弗辛斯基效应的元件， 因此又名奥弗辛斯基电效应统一存储器(Ovonics Unified Memory, OUM) 以前由于半导体工艺的限制，造成相变单元所需要的驱动电流过大，这也直 接导致早期的相变存储器并没有赢得太多青睐，反而是利用硫系化合物其宏 观上光学反射率存在很大的差异，在商业上主要被用于多媒体数据光盘 (DVD)，来实现两个稳定数据态的存储。而后得益于半导体加工工艺的进步， 使具有较小的驱动电流器件成为可能，并迎来了自身真正发展的契机。
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实际产品举例
实际产品举例
相变机理
在晶态结构时 , Ge 原子具有类八面体结构的排列 , 在非晶态时 , Ge原子具有四面体结构的排列 。
工作原理
SET：PCM写1，是一个中温结晶的过程，对相变材料施加一个时间较长、 强度中等的电脉冲进行加热，使其温度上升到结晶温度以上、熔化温度以下， 导致其结晶，即低阻态。 注意点： 1.该操作用时较长，成为相变存储器的写性能的瓶颈 2.结晶温度与相变存储器的数据保持能力成正相关
相变材料特性
热门材料：硫系化合物（Ge2Sb2Te5，简称GST） 晶态：具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率 非晶态：具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，因此具有较高的电阻率 存储信息：电阻高低（可相差三个数量级，具有多级存储的潜力） 转换因素：温度
器件结构设计
1D1R结构 优点：添加了二极管这类整流器件， 解决了串扰问题。 缺点：增加了成本和面积；选择的二 极管应该具有正向电流密度大、高整 流比和制备温度低等特点。
器件结构设计
1T1R结构 控制能力很好，但面积和成本也最大。高密度存 储器设计中不会采用该结构。 1TXR结构
集成度更高，但使用单个晶体管控制多个相变单 元时，不可避免地会产生串扰