硫系化合物是由元素周期表第16族元素組成的合金(舊式元素周期表：第VIA族或第VIB族)。在室溫條件下，這些合金的非晶態(tài)和晶態(tài)都十分穩(wěn)定。當加熱時，硫系化合物可以從非晶態(tài)變成晶態(tài)，反之亦然。
最近，GST成為一項新的具有突破性的非易失性固態(tài)存儲器技術PCM的構成要素。事實上，非晶態(tài)和晶態(tài)具有不同的電阻率。固態(tài)PCM的基本原理是利用低電阻率(晶態(tài))和高電阻率(非晶態(tài))分別代表二進制數(shù)字1和0。因此，PCM以材料本身的結構狀態(tài)存儲信息，用一個適當?shù)碾娒}沖信號引起兩個(穩(wěn)定)狀態(tài)之間的轉換。

在基于硅的相變存儲器中，不同振幅的電流從加熱元器件流出，穿過硫化物材料，利用局部熱焦耳效應，改變接觸區(qū)周圍的可寫入體積(圖1)。經(jīng)過強電流和快速猝滅，材料被冷卻成非晶體狀態(tài)，導致電阻率增大。切換到非晶體狀態(tài)通常用時不足100ns，單元的加熱時間常量通常僅為幾納秒。恢復接觸區(qū)的晶體狀態(tài)，使材料的電阻率變小，需要施加中等強度的電流，脈沖時間較長。存儲單元寫操作所需的不同電流產(chǎn)生了存儲器的直接寫操作特性。這種直接寫入功能可簡化存儲器的寫操作，提高寫性能。讀取存儲器使用比寫入電流低很多的且基本上無焦耳熱效應的電流，因為該電流只區(qū)別高電阻(非晶體)和低電阻(晶體)狀態(tài)。

圖 1 – PCM技術開發(fā)路線圖

集現(xiàn)有存儲技術的優(yōu)點于一身

與現(xiàn)有的存儲技術相比，PCM將傳統(tǒng)存儲技術的優(yōu)點融為一體：閃存的非易失性、RAM的位可修改性、讀寫速度與標準RAM媲美且優(yōu)于NOR、NAND或EEPROM存儲器。

此外，隨著制造技術的不斷進步，PCM很容易縮減到更小的幾何尺寸，以更低的成本實現(xiàn)更高的密度。全球很多實驗室已經(jīng)使用硫系化合物薄膜證明，基本PCM存儲器能夠縮減到5nm技術節(jié)點。隨著PCM存儲單元縮小，涉及狀態(tài)變化的材料體積就會減少，導致功耗降低，寫性能提高。相反，DRAM、閃存和EEPROM器件的光刻技術節(jié)點很難縮減到32nm以下。受益于硫系薄膜材料的狀態(tài)控制方法的研究和改進，PCM的耐用性和寫入速度預計在近期內會大幅提升。隨著光刻技術向尖端技術邁進，PCM每位成本將會大幅度降低。

技術開發(fā)路線圖

圖1所示是恒憶的PCM技術開發(fā)路線圖。第一個芯片測試載具最初采用的是180nm技術節(jié)點，測試結果令人滿意。

存儲單元包括一個選擇器和一個存儲元器件。原則上，選擇器可以是一個MOS晶體管或者P區(qū)是襯底或共地線的p-n-p結(圖2)。p-n-p結構可以優(yōu)化成一個雙極結型晶體管(BJT)或一個純二極管。為了驗證單元結構，MOS和BJT/二極管選擇器的集成最初都是采用標準180nmCMOS制造技術。基于BJT的解決方案更適用于高性能和高密度應用，而MOS單元則更適合系統(tǒng)芯片或嵌入式系統(tǒng)。在這種情況下，非易失性存儲器單元的集成制造只需將很少的附加掩模增加到標準前工序制造工藝，因此，PCM的成本優(yōu)勢明顯高于競爭技術。

圖 2 – MOS型PCM和雙極型PCM單元比較

一款采用90nm制造工藝的128Mb相變存儲器(產(chǎn)品名稱:Alverstone)已經(jīng)上市銷售(圖3)，另一款采用45nm制造工藝的1Gb PCM產(chǎn)品(產(chǎn)品名稱：Bonelli)目前正在開發(fā)中(圖4)。這兩款產(chǎn)品均基于BJT型單元的版圖設計。

圖 3 – 采用90nm制造工藝的129Mb相變存儲器

圖 4 – 采用45nm制造工藝的1Gb相變存儲器

開發(fā)一個有效且可靠的存儲元器件是PCM的成功關鍵。恒憶在Alverstone上首次定義并實現(xiàn)了一個創(chuàng)新的“墻壁”結構。在數(shù)據(jù)保存期限和存儲器耐用性方面，Alverstone的可靠性測試結果非常出色，表明這項技術可以滿足市場對可靠性的期望和目標，即便在較高的密度節(jié)點也是如此。

PCM技術研發(fā)將沿著不同的路線并行前進。為使采用BJT的單元沿著光刻技術發(fā)展路線達到最小的單元尺寸，主流的開發(fā)路線將以現(xiàn)有技術架構的尺寸縮小為基礎。除廣泛使用的Ge2Sb2Te5以外，利用新的硫系合金是另外一個重要的研究領域，因為這可能會開創(chuàng)全新的應用領域；結晶速度極快或結晶溫度更高的合金將會有更好的前景 。

應用領域廣闊

從應用角度看，PCM可用于所有的存儲器系統(tǒng)，特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設備的存儲系統(tǒng)。PCM特別適用于無線通信系統(tǒng)的代碼執(zhí)行內存。無線通信系統(tǒng)需要一個常駐代碼執(zhí)行內存和小數(shù)據(jù)結構存儲器(表1)。以讀取延時短和覆寫速度快為亮點，PCM特別適用于無線系統(tǒng)的基帶和應用處理。雖然頁面比較小，讀取速度比DRAM慢，但是還在同一等級上。這個特性使PCM不僅適用于從低密度到高密度的各種無線系統(tǒng)代碼執(zhí)行存儲器，還是處理最常用的數(shù)據(jù)結構的理想存儲解決方案。PCM的位可修改功能省去了對塊擦除的要求，同時還進一步降低了對DRAM的需求，從而可以降低存儲子系統(tǒng)的成本。因為這些技術特色，PCM有望成為一個總體成本最低的可升級的存儲器子系統(tǒng)解決方案，同時還能滿足市場對高端多媒體無線設備的日益增長的性能需求。

表1 – 相變存儲器、浮柵非易失性存儲器（EEPROM、NOR閃存和NAND閃存）和DRAM存儲器關鍵特性對比

對于處理頻率幾乎最高的數(shù)據(jù)結構，PCM還可在固態(tài)存儲器子系統(tǒng)內兼做常讀存儲器，用于保存訪問頻率很高的頁面，在片內處理數(shù)據(jù)結構時，可用于存儲比較容易管理的元素，如奇偶位、壞塊表、塊頁映射表等。通過最大限度降低對NAND閃存的應力，降低系統(tǒng)的總體成本，一顆低容量的PCM可大幅提升系統(tǒng)的可管理性。此外，當很多塊內都有被擦除的頁且存儲子系統(tǒng)接近全滿狀態(tài)時，存儲新數(shù)據(jù)需要多次擦除操作，才能釋放空間給新數(shù)據(jù)。這個特性會進一步降低NAND閃存的可靠性，加快其達到耐用極限的時間。

以位可修改和高耐用性為特色，PCM可滿足重負荷使用的固態(tài)數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)的要求。

總之，已取得的技術成熟性、技術節(jié)點縮減前景和廣泛的應用領域(可能會進一步擴展)正在為PCM技術未來十年在存儲器市場上發(fā)揮關鍵作用鋪平道路。