[科普中国]-非挥发性存储器

存储器大致可分为两大类：挥发性存储器和非挥发性存储器。

挥发性存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息， 它需要持续的电源供应以维持数据。一般称之为 RAM，有两种主要的类型：动态随机存取内存 (DRAM）和 静态随机存取内存 (SRAM）。

非挥发性存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非挥发性存储器（ NVM）器件通常也是一个 MOS管，拥有一个源极，一个漏极，一个门极另外还有一个浮栅（ FLOATING GATE）。它的构造和一般的 MOS管略有不同： 多了一个浮栅。 浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。非易失存储器又可分为浮栅型和电荷阱型。

非挥发性存储器(以其高存储密度、较低的功耗、随机读写和优良的工艺兼容性等诸多优点，尤其是断电后还可以保留原有数据的特点，逐渐在存储系统中扮演越来越重要的角色。传统的非挥发性存储器主要有可擦写可编程只读存储器（EPROM）、闪存（Flash）、电可擦可编程只读存储器（EEPROM）等。近些年，随着科学技术的发展，一些新型的非挥发性存储器也开始崭露头角，其中包括磁性随机存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）和相变存储器（PCM）。1

在浮栅型存储器中， 电荷被储存在浮栅中， 它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。 所有的浮栅型存储器都有着类似的原始单元架构。它们都有层叠的门极结构如图1所示。 第一个门极被埋在门极氧化层和极间氧化层之间， 极间氧化层的作用是隔绝浮栅区， 它的组成可以是氧 -氮- 氧，或者二氧化硅。 包围在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。 第二个门极被称为控制门极， 它和外部的电极相连接。浮栅型器件通常用于 EPROM和 EEPROM。

电荷阱型器件是在 1967 年被发明的，这也是第一个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中，电荷被储存在分离的氮阱中，由此在无电源供应时保持信息。 电荷阱器件的典型应用是在 MNOS、SNOS和 SONOS中。图2展示了一个典型的 MNOS电荷阱型存储器的结构。 MNOS中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层（一般为1.5-3nm）从沟道中被注入氮层中。

传统非挥发性性存储器以 Flash 为主，2012 年 NAND 型 Flash 已经发展到 32 nm/64 Gbit 技术。在集成电路上，Flash 存储器是使用最广泛的、工艺线宽最小的、单元集成密度最高的器件。Flash 存储器的发展来源于 1967 年贝尔实验室的 D. Kahng 和 S. M. Sze 所提出的浮栅型（Floating gate）的非挥发性半导体存储器，它的主要组成部分为：衬底、隧穿氧化层（Tunnel oxide）、浮栅电极（Floating gate）、控制栅氧化层（Control oxide）、控制栅电极（Control gate）、源极（Source 和漏极（Drain）），其结构如图 3 所示。Flash 存储器的数据存储是通过浮栅电荷存储技术对 MOS 管阈值特性的改变来实现的。

Flash 存储器由于其成本低、读写速度较快、存储密度大等优点而成为最成熟的主流的非挥发性存储器中。但随着摩尔定律的发展，Flash 越来越达到它的极限。2

FRAM 全称为“Ferroelectric random access memory”，它的存储原理是通过施加外电场改变铁电晶体材料（如 PZT）的极化方向和利用其自发极化和特性进行存储。图 4 给出了 FRAM 的工作原理，以 PZT 钙钛矿型材料为例：PZT 材料晶胞中的 或 在居里温度下，会由于自发畸变而与其它原子发生了相对位移，电偶极子产生，发生自发极化。若再施加外电场，则 或 原子会沿着电场方向移动，从而导致极化方变化，与电场方向一致。但电场撤走后，中心原子在偏移后的位置保持，这使得铁电材料有剩余极化。电场方向不同，剩余极化的方向就不同。可以利用两个不同极化方向来可存储“0”和“1”。读数据时，是利用判定极化方向的电流不同来进行区分。高速、抗辐照和低功耗等优点的FRAM ，在各科学领域中有着广泛应用。世界已有公司，如 Symetrix、Fujitsu、NSC、Siemens、 Sharp、Samsung 和 Ramtron 等，从 1980 年开始就有各自的 FRAM产品推出。但是，目前 FRAM 存在着一些阻扰其应用问题，如需要高温晶化处理、容量小、可靠性差，与传统 CMOS 工艺不兼容等。2

PRAM 全称为“Phase Random Access Memory”，通常也被称为PCM、PCRAM或 OUM（Ovonics Unified memory）等。相变特性是指材料在晶态（Crystalline）和非晶态（Amorphous）可以相互转换，且两种状态之问呈现出不同的电阻特性，以此来进行数据存储。

图 5 是相变存储器的器件结构图。相变存储器的结构主要分为三层：从上到下分别为上电极（Top Electrode），具有相变特性材料的中间层和下电极（BottomElectrode），可以为金属薄膜或半导体材料。

PRAM 器件具有非常简单的 M-I-M 或 M-I-S 结构，只要在器件两端施加不同的电脉冲，就可以使得相变薄膜材料在晶态与非晶态之间发生转变，呈现出不同的电阻态，进行数据存储。PRAM 在读写速度、集成密度和存储窗口上都表现优越，而且具有多值存储的潜力。在尺寸缩小方面，PRAM 中的相变材料在 10nm 以下仍然表现出很好的相变特性。但 PRAM 有一个致命的缺陷，在擦除（RESET）过程中需要大尺寸晶体管驱动较大的电流（>100uA），增加了芯片的功耗，制约了其在小尺寸工艺中的应用。2

MRAM 全称为“Magnetoresistive Random Access Memory”，MRAM 的工作原理是利用电子自旋的特性，以电流产生磁场控制自由层（Free layer）的电子自旋方向，而结构中的固定层（Pinned layer）磁性薄膜是一层固定电子自旋方向的薄膜。在组件操作方面，若自由层与固定层自旋方向相同时，电子能够轻易地穿透中间的穿透层（Tunnel barrier 或称为 Barrier layer），使 MRAM 呈现低电阻态;当固定层自旋方向与自由层方向相反时，电子难以穿透中间的穿透层，使MRAM 呈现高电阻态，如图 6 所示。在进行讯号读取的过程中，当电阻值较高时，会得到较大的 Vout；当电阻值较低时，会得到较小的 Vout。因此可以利用 Vout的大小来判定讯号为 0 或 1，如图 7 所示。

MRAM 的数据虽然是以磁性状态进行存储，但其读取数据的方式是靠测量电阻来感知，对其磁性状态不会造成干扰。MRAM 作为新型非挥发性存储器，在存取速度、次数和功耗上都较优越，但要投入市场应用，还需解决以下难题：写或擦除数据时的磁性干扰问题；复杂的磁性材料薄膜制备工艺，且其薄膜厚度不容易控制，影响器件的均匀性；与传统 CMOS 工艺的兼容方面，有待进一步地优化。2

RRAM 的全称为“Resistance Radnom Acess Memory”，RRAM 在器件制作上具有 Metal-Insulator-Metal（MIM）的简单结构。其中金属（M）是用来当作信号传输的良好电子导体。选择上下电极的材料的时候，可以选用不一样的或是一样的材料。另外，电极不一定只能用金属元素，只要是电子的良好导体，都能拿来当作电极使用（例如：P 型 Si）。而绝缘层（I）必须要有良好的电阻切换特性，能在给予偏压时，控制电子的传导行为。在现今的研究中，“I”绝缘层的种类主要有以下几种：过渡金属氧化物、有机材料与 SiOx等。

在 RRAM 的形成机制中，目前大多数人在用电阻丝理论（Filament theory）：通过在绝缘体的外部偏置影响，电子在阴极生成，并通过绝缘层到达阳极。载流子经过绝缘层时会造成宛若树枝状的电阻丝通道，如图 8 所示。利用第一次给予器件的偏压，使得在绝缘层中电荷相互累积造成组件崩溃（Breakdown），产生大量电流流通，此过程被称为电致形成过程（Forming process）。而在汉城大学 C. S.Huang 的研究团队，关于氧化钛系统的电阻式存储研究中，认为在 Forming 过程，氧负离子受电压影响向阳极扩散，留下钛的四价离子或氧空位，从而导通途径。

当电阻丝经过 Forming process 形成后，再控制外加的电压与电流，可以使RRAM 组件在高阻态（High Resistance State， HRS）与低阻态（Low Resistance State，LRS）来回切换，如图 9 所示；利用 RRAM 电阻值的高低来储存 0 与 1 的讯号。2

通过以上介绍可以看出，每种存储器都各有优缺点，从定性上比较，如图10所示。DRAM 和 SRAM 虽然存取速度快，但数据易失；Flash 应用最成熟，但未来发展不容乐观；FRAM 有特殊的抗辐照能力，但其与 CMOS 工艺不兼容；PRAM可多值存储，但功耗过大；MRAM 存储能力不错，但易受干扰；RRAM 结构简单、操作速度快、功耗小、工艺与 CMOS 兼容性高、可多位存储（Multi-level）等。

图11为存储器参数对比，可以看出，在读写速度和单元面积方面，RRAM 优于其它新型非挥发性存储器。其读写速度目前最快可达到 5ns，单元面积目前为8 （F 为特征线宽尺寸），以后有望达到 4 ；而且 RRAM 的结构单元可以在三维方向上堆叠集成，这大大提高了存储密度。此外，电阻式存储器的制作和传统的半导体工艺相兼容，这为其投入市场应用提供了强有力的保证。但业界认为，电阻式存储器的阻变机理尚处于模糊阶段，其实用产品还没推出。2