芯耀
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一、集成电路发展背景
集成电路芯片是现代化不可或缺的重要部分，无论是传统的制造行业，还是新兴的互联网、电动汽车、现代数据中心、云计算和人工智能都与集成电路产业息息相关。
而在所有的集成芯片市场份额中，市场份额最大的存储器市场，约占整体的百分之三十。而随着信息时代的来临，云计算、大数据、6G网络、人工智能应运而生，人们对数据存储的需求越来越大，对存储技术的新要求也越来越多。
现有的计算机大多数基于冯诺依曼架构来完成，其包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）和数据存储器。主要存储架构如下图所示：
CPU负责执行程序指令和进行算术逻辑运算，而数据存储器则用来存储程序和数据，因此在实际计算运算过程中，程序和数据将会被CPU逐条提取，计算完成后再传回内存单元。根据存储原理，存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器包括静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），与CPU频繁交互的数据会被临时储存在SRAM与DRAM中，因此其是在数据存储器中距离CPU最近的一级存储器，而其他无需频繁调取的数据则被储存在非易失性存储器固态硬盘（Solid State Disk，SSD）中。
但是随着CPU算力的不断提升，与其频繁交互的内存即DRAM的性能也需要紧跟其上，匹配日益增长的数据传输需求。
根据报告显示，CPU的性能以每2年的时间提升3.1倍，而由于摩尔定律的不断演进，?DRAM的电容单元的尺寸微缩趋于极限，其只能以每2年的时间提升1.6倍。随着时间的不断推进，两者之间以每年50%的差距不断增大，产生了严重的“存储墙”问题。因此急需一种新型存储器来弥补DRAM存储容量的难题，存储器性能的提升迫在眉睫。差异发展如下图所示：
IBM于2008年便提出了一种新型存储器即存储级内存（Storage Class Memory，SCM）,该存储器一方面具有比DRAM更大的存储容量，另一方面具有比NAND更快的读取速度，因此可以对DRAM容量不足的问题起到了一个很好的补充作用。
该存储器可以替代部分DRAM作为分级内存管理数据，其中与CPU频繁交互的数据仍然由DRAM存储，而其他数据则由存储级内存代为存储，具体信息如下图所示。
二、新型存储器发展方向
国际元件及系统技术蓝图筛选出最适合SCM的四种新型非易失性存储器：
铁电随机存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）、磁性随机存储器?（Magnetic Random Access Memory，MRAM）、阻变随机存储器（Resistance Random Access Memory，RRAM）和相变存储器（Phase Change Memory，PCM）。
1、铁电随机存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）
铁电随机存储器是一种利用铁电材料的铁电效应来实现数据存储的非易失性存储器，与动态随机存储器有着相似的1-晶体管/1-电容器结构，铁电材料被用作电容器的电介质层。铁电材料的极化特性在外加电场的作用下会发生变化，在电场移走以后会保持原有状态，在断电情况下依然能够保存数据，不需要周期性刷新。
铁电随机存储器操作过程中没有发生任何原子的碰撞，具有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。
存储信息能力与电容器的面积呈正比关系，与厚度呈反比关系，极大地限制了单元尺寸的可伸缩性，有待进一步研究。
2、磁性随机存储器?（Magnetic Random Access Memory，MRAM）
磁性随机存储器通过磁性隧道结的隧穿磁电阻效应来存储数据，即磁性隧道结的电阻在磁场中会发生变化。
磁性隧道结由自由层、隧道结、固定层三部分组成，固定层的磁场方向始终保持不变，而自由层的磁场极化方向会随外加磁场方向的不同而发生改变，固定层和自由层的磁场方向平行或者相反时，存储单元处于不同的电阻态，进行数据存储。外加磁场不变，自有层的磁化方向就不会变化，不需要通过不断刷新电流来保持数据。
磁随机存储器理论上可以进行无限次的重复存储读写，而且存储速率快，但存在着开/关电流比小、读写电流大、结构复杂等问题，而且自有层极化的热不稳定性限制了存储单元尺寸的缩小。
选用MgO(Magnesium Oxide)作为电介质材料和自旋转移矩-磁随机存储器(Spin Torque Transfer MRAM，STT-MRAM)可以很好的克服这些问题，自旋转移矩-磁随机存储器利用了磁性材料的自旋转移矩现象，转换电流更低，操作速度更快，可伸缩性更好。
3、阻变随机存储器（Resistance Random Access Memory，RRAM）
阻变随机存储器采用金属氧化物作为存储介质，在外加电场作用下，存储介质在高阻态和低阻态之间可逆转换，从而可以存储数据。
阻变随机存储器具有结构简单、转换速度快、与CMOS工艺兼容、可伸缩性好等优点，成为下一代新型非易失性存储器种最具竞争力的候选者之一。
但阻变随机存储器的转换操作在微观上是不可控的，本质上具有随机性，单元之间和不同循环次数的单元电阻及转换电压存在很大的波动性，可靠性是其所面临的最主要的问题。此外，阻变随机存储器的转换机制目前尚不清楚，有待进一步探索其存储机理。
4、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）
相变随机存储器又简称为相变存储器，其存储介质主要为硫属化合物，施加电脉冲可以改变存储介质的晶格结构来实现存储器高、低电阻之间的可逆转换，进而存储数据，具有存储速度快、存储密度高、数据保持时间长和与CMOS工艺兼容等优点。
PCM的工作原理主要是基于硫系相变材料在晶态与非晶态之间的电阻差异来完成数据存储，其中在晶态时为低阻态，存储数据“1”，在非晶态时为高阻态，存储数据“0”，具体主要通过电脉冲激励来完成读写擦操作，如下图所示。
擦操作（RESET）通过对相变材料施加幅值较高且时间较短的电脉冲，利用大量焦耳热的聚集使相变材料迅速达到熔化温度以上，随后经历快速冷却淬火过程使其形成非晶态；写操作（SET）通过对相变材料施加幅值较低且时间较长的电脉冲，使其达到晶化温度之上即可，随后通过长时间的能量弛豫使其具有大量的时间来完成晶体的重新排布过程而形成晶态；
读操作（READ）即为施加一个较为小的电脉冲，在保证不改变其存储状态的情况下读取其电阻值。通常相变材料在晶态时具有较低的电阻值及较高的反射率，在非晶态时具有较高的电阻值与较低的反射率，因此相变技术既适合作为电存储用于存储器中，也适合作为光存储用于光盘等。
研究成果表明，相变存储器在材料尺寸和单元尺寸方面现阶段还没有发现极限，在厚度低于2nm时，相变材料可以发生相变，单元特征尺寸下降至6nm时，存储器依然可以正常操作。
下表1为以上几种新型非易失性存储器性能的对比：
与其他几种非易失性存储器相比，相变存储器的综合性能优势更为明显，而且具有良好的可伸缩性，理论研究和工艺技术逐渐成熟，极有可能下一代主流的新型非易失性固态存储技术。
三、相变存储器结构详解
相变存储器的核心原理就是控制相变材料在非晶态和晶态之间进行反复地切换，依靠电导率的差值来记录信息。
通常合格的相变材料需要满足三点要求：
（1）晶态与非晶态都可以稳定存在；
（2）结晶的速度要足够快；
（3）晶态与非晶态的电导率差高于2个数量级。
传统的相变存储器主要是“蘑菇形状”的结构，如图（a）所示，包括了上下电极、功能层（相变材料）、加热层与隔热层。
“蘑菇型”器件结构的特点在于只 有与加热电阻接触的部分相变材料会被操作，因此可以通过减小接触面积来减小相变材料在工作过程中发生结构转变的有效体积，进而降低器件功耗。
当然，“蘑菇型”?器件结构也存在一定的缺陷，例如需要很大的驱动电流才能控制器件的状态切换，这也限制了其进一步的发展应用。
事实上，相变存储器的器件结构经历了很长一段时间的研究，已经发展出了多种可以选择的方案，包括沟道型结构、小孔型结构、边缘型结构和交叉型结构等等，这些器件结构可以适用于不同的应用场景。
而目前相变存储器的研究重心已经从平面器件转入了三维器件，最新发布的3D Xpoint架构就是以交叉型结构（Crossbar）为基础，从而实现相变存储单元与双向阈值开关（Ovonic Threshold Switching，OTS）选通管单元的三维集成。
如图（b）所示，相变存储器的工作过程其实就是通过施加电脉冲产生焦耳热来控制材料的相变过程。只需要控制加热温度和持续时间，就可以使相变材料在晶态和非晶态之间往复地切换，实现信息数据的写入（SET）与擦除（RESET）操作。
如图（c）所示，RESET操作就是让晶态的相变材料在高温下完成熔化，然后非常迅速地冷却到室温，从而形成非晶态的过程。
因此RESET脉冲的电压要足够高，保证相变材料可以被加热到熔点Tmelt以上；同时脉冲宽度要非常窄，让完全熔化后的相变材料可以快速冷却到室温，避免其发生结晶行为。
相对地，SET操作就是要让非晶态相变材料退火结晶的过程，需要加热到结晶温度Tcrys以上，但是不能达到熔点Tmelt，因此SET脉冲的电压相对较小，同时脉冲宽度需要宽一点，为相变材料发生结晶行为提供充足的时间。最后在读取信息数据的时候，要避免改变相变材料原本的结构，否则会破坏已经写入的数据，因此脉冲的电压需要尽量低，持续时间也要尽量短。
四、相变存储器特点
相变存储器自从诞生以来就被寄予了厚望，虽然其性能相对于传统存储器具有明显的优势，但是并不能完全满足大数据时代的用户需求。
为了提升相变存储器在市场中的竞争力，还需要进一步提升其各方面的性能。与传统的存储器相同，可以从存储容量、读写速度、功耗与使用寿命等方面来评价相变存储器的性能。
近年来，国内外的科研机构都在进行相变材料与器件结构的研发工作，致力于突破相变存储器的性能极限，也取得了丰硕的成果，主要包括：
（1）存储容量：三维相变存储器（3D Xpoint）的容量已经可以比肩3D NAND存储器，而多级相变存储技术还可以进一步提升存储密度。
实现多级存储技术的方法主要有两种，其一是利用多层膜结构，将具有不同结晶温度和电阻率的相变材料进行叠加，控制不同层的材料分步结晶，从而实现多个电阻态的切换；其二是利用材料工程，即研发多级相变存储材料，例如ZnSb等材料可以实现两步结晶过程和三个电阻态的切换。显然，第一种方法的应用更加灵活，但是制造过程复杂而且对于工艺要求更高；而第二种方法更加依赖于材料本身的稳定性与可靠性。
（2）读写速度：提升相变存储器读写速度的关键就是加快相变材料的结晶速度，因为材料SET（结晶）过程通常比RESET（非晶化）过程花费更多的时间，可以使用?SET?电压的脉冲宽度来表示相变存储器的速度。基于?Ge2Sb2Te5材料的相变存储器件，SET过程可以控制在50ns以内。显然，材料工程才是提升相变存储器速度的最优选择。
（3）功耗：相变存储器的功耗主要取决于RESET?过程，与操作速度恰好相反。这是因为相变材料从晶态转变为非晶态的过程要求温度达到熔点以上，消耗的能量远高于结晶过程。降低功耗的常用方法就是缩小器件中电极与相变材料的接触面积（即减小发生相变的材料体积），主要可以通过缩小器件尺寸（例如小孔器件的直径） 等方法来实现。
五、结论：
相变存储器PCM速度接近DRAM，且有非易失性的优点。同时，相变存储器对比闪存，其操作速度快，速度可达到千倍以上；读写时间短，可达到万倍以上；同时，可以实现多次重复擦写，累计可达到上亿次之多。
它的制造工艺由于可以和目前主流的制备工艺兼容，因此可以沿用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）制备工艺和设备，而无需另起炉灶，是最有潜力代替闪存的新型存储器。
目前，英特尔和美光公司合作研发出3D X-point技术，进一步将PCM制备由二维推向了三维结构，为相变存储器的未来发展，指明了新的道路。
参考文献：
(1)赵锐哲?基于介质界面诱导Ge_2Sb_2Te_5结晶的限制型结构相变存储器研究[D].
(2)徐萌?相变存储材料非晶态结构的第一性原理研究[D].
(3)马长城 相变存储单元读写性能有限元仿真与分析[D].
(4)张临川?铜、钨掺杂GeTe相变存储材料的结构与性质的第一性原理及分子动力学研究[D].
(5)杨鹏?双层堆叠的三维相变存储器刻蚀工艺研究[D].
