基本介紹
- 中文名：相變化記憶體
- 外文名：Phase-change memory
- 別名：相變位記憶體
- 學科：計算機存儲
- 定義：是一種非易失性存儲器
- 材料：一種或多種硫族化物的玻璃
簡介,材料要求,選通器件,
簡介
相變化記憶體，也稱相變存儲器，是一種由硫族化合物材料構成的新型非易失存儲器，它利用材料可逆轉的物理狀態變化來存儲信息，具有非易失性、工藝尺寸小、存儲密度高、循環壽命長、讀寫速度快、功耗低、抗輻射干擾等優點。相變存儲器介質材料在一定條件下會在非晶體狀態和晶體狀態之間發生轉變，在此過程中的非晶體狀態和晶體狀態呈現出不同的電阻特性和光學特性，因此，可以利用“0”和“1”分別表示非晶態和晶態來存儲數據。PCM 寫“1”是一個中溫結晶的過程，即對硫族化合物施加一個時間較長、強度中等的電脈衝進行加熱，使其溫度上升到結晶溫度以上、溶化溫度以下，從而導致結晶，這一過程也被稱之為SET過程；PCM寫“0”是一個高溫淬火的過程，即使用一個強度很高但作用時間很短的電脈衝，使得硫族化合物材料在溫度上升到熔點之上後迅速經歷一個淬火過程，材料將由熔融狀態進入非晶態，這個過程被稱之為RESET。PCM在速度、壽命和功耗上均超過了 FLASH技術，可以作為外存使用；同時 PCM 工藝尺寸較低，這些使得它能夠滿足大量存儲系統中高速率、低功耗、大容量的需求。
材料要求
相變材料作為PCRAM的存儲介質，其性能優劣直接關係到器件特性的好壞。有很多種材料都存在多晶態和非晶態，但並不是所有的材料都適合用於PCRAM，它必須要滿足多個條件：晶化時間短。對於PCRAM來說，在操作過程中，SET操作的時間一般較長，是制約PCRAM速度的最關鍵因素。SET操作的時間和相變材料的晶化時間有關，相變材料的晶化時間越長，SET操作的時間越長。
- 熔點低。熔點低意味著晶態向非晶態轉變時需要的能量小，以滿足存儲器的低功耗要求。
- SET態和RESET態的電阻率差異大。可使存儲器具有較高的噪聲容限，足以區分“0”態和“1”態。
- 材料的非晶態在常溫下要非常穩定。PCRAM在室溫或較高溫度下的數據保存壽命取決於相 變材料的非晶態熱穩定性。非晶態熱穩定性越好，數據保存壽命越長，而要獲得較好的非 晶態熱穩定性，要求相變材料具有較高的晶化溫度和較大的晶化激活能。
- 晶態和非晶態相互轉換的操作次數多。這意味著PCRAM的可擦除次數高，抗疲勞性好。
- 相變前後的體積變化小。 影響PCRAM的循環次數的因素很多，其中之一是相變材料在相變前後的體積變化。如果體積變化太大，可能導致相變材料和與其接觸的電極材料發生剝離，導致器件失效。
選通器件
通常存儲系統都是由相同的存儲單元組成陣列，因此對於PCRAM的性能有必要從存儲器陣列結構的角度考慮。存儲陣列主要由兩部分組成：存儲單元，以電荷、電阻等形式表征存儲的數據，其性能主要由材料本身的物理特性決定；選通器件：一個非線性器件，可以實現開關操作，使存儲陣列中特定的存儲單元被選擇或讀取。這兩個基本元素都影響到存儲單元的微縮程度。已有的研究表明PCRAM微縮到7nm時仍能實現高阻和低阻的轉換，因此選通 器件就成為PCRAM微 縮 到10nm甚至更小尺寸的主要瓶頸。有兩種方案集成選通器件和存儲單元，一種是用獨立的選通器件和存儲單元串聯起來，例如，集成多層堆疊結構；另外一種是採用本身具有非線性特性的存儲元素。典型的選通器件為電晶體 (如 FET或BJT)或 兩端器件(如二極體)。 為了達到二維2平面最高的4F 的存儲密度，研究人員採用兩端非線性器件去實現更高的存儲密度，例如二極體可以和電阻存儲單元以十字交叉形狀集成在一起。
