深入剖析新一代非挥发性内存技术

概述

    闪存目前已经作为可改写数据的非挥发性内存广泛应用于各种产品中。比如，我们平时用的手机。手机中的地址薄能够修改已输入的地址和电话号码。而且关闭电源后也能够继续保存。

    闪存最初是从关闭电源后数据也不会丢失的只读内存ROM派生出来的。通电后可改写ROM的是EEPROM（电可擦可编程序只读存储器）。EEPROM能够进行位写入和删除。不过由于是按位操作，因此写入慢，耗电量高。因此，人们就想出了一种不是按位而是以块为单位进行写入和删除的内存。这就是闪存。其名字来自于一次性进行删除的特点。

    闪存与EEPROM相比，写入快、耗电量低。但与挥发性（关闭电源后数据丢失）内存DRAM和SRAM相比，写入速度慢、耗电量高。这个问题是由闪存结构产生的。

    因此，业界正在开发比闪存速度更快、耗电量更低的新一代非挥发性内存。主要有3种，保存数据的元件材料均非半导体，与众不同。分别是结构类似DRAM、采用铁电体保留数据的FeRAM、采用硬盘磁头元件按照磁盘结构记录数据的MRAM，和采用与记录型光盘相同的相变材料的OUM。

绝缘体随着记录次数而老化 

写入速度慢、可擦写次数有限，闪存的上述缺点是由其结构造成的。

    闪存采用的结构是：在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。

    闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。

    写入时只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做。写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。

    读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。

    如上所述，由于闪存要进行“突破氧化膜”这一剧烈动作，因此速度和可擦写次数均存在一定的限制。随着反复的写入，氧化膜就会老化。闪存可擦写次数一般被限制在100万次左右。

沿用DRAM结构的FeRAM

为了突破闪存面临的极限，新一代非挥发性内存加大了数据保持元件的研发力度。其中，已经量产且领先一步的就是FeRAM。

    FeRAM记忆元件使用的是铁电体。铁电体的每一个结晶在自然状态下分为正极和负极。具有加电后其极性会统一成一个方向的性质。其极向即使关闭电源后状态也不会改变，因此能够保持数据。由此来实现非挥发性。

    不过，FeRAM有一个很大的缺点，即读取次数有限制。目前的读取次数约为10的12次方。“已经有人指出读取次数有限的内存不能使用”（NEC电子尖端工艺业务部FeRAM开发项目经理丰岛秀雄）。

    FeRAM结构非常类似于作为电脑内存而使用的DRAM（见图3，击点放大）。因此擦写速度快，约为100ns。不同于DRAM的是记录数据的部分。DRAM在晶体管中加入了贮存电荷的电容器。而FeRAM则把电容器变成了铁电体。也可以说是使DRAM具备了非挥发性。

    写入方法与DRAM稍有不同。DRAM利用电容器中有无电荷记录数据，因此使用名为位线（Bit Line）的布线单向加压。而FeRAM由于必须双向加压，因此除位线以外，还添加了名为板线的线路。写入“1”时，由板线向位线加压。写入“0”时则反过来由位线向板线加压（见图4，点击放大）。

    读取方法也不同于DRAM。DRAM根据电容器中有无电荷判断“1”或“0”。而FeRAM则不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写入“1”，来判断“0”还是“1”。数据为1时由于状态不变，因此电荷移动少。而数据为0时由于状态发生反转，因此会产生大的电荷移动。利用这种电荷差判断1和0。

    如上所述，FeRAM在读取时也进行写入动作。但是在铁电体中反复写入会使之加速老化。也就是说，不仅是写入时，读取时FeRAM也会产生老化。

妨碍可靠性的材料性质 

FeRAM使用的铁电体材料大体分为两类，分别是美国瑞创国际（Ramtron International）提供授权的PZT（锆钛酸铅）和美国思美（Symetrix）的SBT（钛酸钡锶）。PZT可在低温下生产，产生的电荷量大，而SBT则可实现低耗电。目前很多制造商都在使用PZT进行开发。已开始量产FeRAM的富士通采用了PZT。

    PZT的结晶结构由于原子位置有偏差，因此稳定的点有两个。数据为0和1两种状态下，结晶中原子位置不同。具体来说两个状态是指位于中间的钛原子（或锆原子）是在上面还是在下面。

    可靠性对内存来说是必不可少的。但是FeRAM存在两个源自于铁电体性质的问题。即反复擦写时的耐受性和数据保持性问题。

    反复写入的耐受性问题有两个。第一个是反复记录数次后，由于材料产生疲劳，就将无法清楚地区别和记录0和1。第二个是“动态压印（Dynamic Imprint）”，就是指反复单向加压而写入相同数据时，因此产生写入惯性，而无法再写入其他数据。

    数据保持性能也有两个问题。一个是随着时间的推移，因失去正、负极性，而无法读取。业界将其称为“去极”。第二个是“动态压印”，就是指如果长期保持0或1某一种数据，那么数据就会烧录上去，从而无法进行擦写。这些问题产生的机理“尚未查明”（NEC电子的丰岛）。

    为了克服铁电体在读取时也会老化的缺点，通过在读取方法上下功夫，目前已经有人提出了采用无损读取方法。通过在板线上施加微电压，不需反转极性来读取数据。此时，由于可读取电流减小了，因此就存在不易判断数据的问题。

可无限次擦写的MRAM

还有一种独特的采用磁记录方式的非挥发性内存，不过至今没有像FeRAM那样进行量产。这就是MRAM。MRAM使用TMR（隧道型磁电阻）磁性体元件。利用电阻随磁化方向而变化的原理记录数据。耗电量低，且可高速写入和读取。擦写次数无限制。顺便提一下，TMR元件还有望成为新一代硬盘磁头。

    MRAM的问题在于TMR元件加工难度大。磁性体不同于半导体，加工中不能使用化学反应，必须进行物理加工，因此形状不好控制。TMR元件采用的结构是由2个磁性体层夹着铝氧化膜绝缘体。电流就像穿越这三层一样进行传导。因此，一旦元件的形状和层的厚度出现偏差，就会产生失误。另外，生产过程中在层与层之间还会产生短路。

    MRAM在写入时会改变TMR元件的电阻，因此就会改变夹持绝缘体的磁性体层的磁化方向。下层（栓层：Pinned Layer）的磁化方向是固定的。改变磁化方向的是上层的自由层（Free Layer）。写入“0”时产生与下层同向的磁场。上层磁化方向与下层平行，电阻就会减小。写入“1”时正好相反，产生与下层反向平行的磁场，从而使上下两层的磁化方向形成反平行。此时电阻则增大。

    读取时，则在TMR元件中传导电流。如果是“0”，由于电阻小，电流就大；如果是“1”，由于电阻大，电流就小。利用这种区别判断“0”或“1”。

    MRAM之所以速度快是因为磁性体磁化方向的反转速度快。另外，由于改变磁化方向的次数没有限制，因此写入次数就为无限次。

MRAM：不需晶体管即可生产

MRAM的单元结构以TMR元件上连接晶体管的选择晶体管型为主流。由于可用晶体管对每个单元进行控制，因此耗电量低，且速度快。另外，外部电路制作简单。不过，这种结构的缺点是因此难以减小单元尺寸，因此不易实现大容量。

    虽然几乎所有的内存都使用晶体管进行切换，不过MRAM还开发了不使用晶体管即可驱动的结构，称之为交叉点型。将电极下上垂直相交进行排列，在交叉点配置TMR元件，从而就能形成简单结构。

    由于交叉点型MRAM能够减小元件体积、进行多层层叠，因此易于实现大容量。不过其缺点是，即便只是为了读取选择单元而传导电流时，也会在周围产生环绕电流，因此外部电路复杂，读取时间长。

    由于MRAM有上述2种结构，因此很有可能“根据不同的用途而分别作为大容量产品和高速产品来使用”（NEC硅系统研究所兼基础研究所研究部长田原修一）。

    今后的课题是如何降低写入电流。正在开发此类内存的东芝“目前已经将较高的写入电流降低到了3mA，即1/3左右。将来力争达到1mA”（东芝SoC研究开发中心非挥发性内存元件技术开发部顾问?田博明）。不过，如果缩小电流，0和1的电阻值变化率即MR比就会随之减小，从而就会提高读取难度。为了减小工作电流，必须在如何提高MR比上下功夫。目前有人正在研究层叠TMR元件（双层通道接合）。

    另外的课题包括没有实现微加工工艺，以及切换时产生的磁场及读取信号的不稳定性较大等。

通过加热来记录数据的OUM

OUM是写入时通过加热进行数据记录的非挥发性内存。由美国Ovonyx开发。采用的是可用热改进结晶状态的相变化材料。这种材料目前已经应用于刻录光盘。两者不同的是记录光盘利用的是相变化膜反射率的变化，而OUM则利用的是电阻的变化。

    OUM的擦写次数为10的12次方，其优点是易于减小单元尺寸，电阻变化率大。缺点是写入时间长。

    相变化材料根据不同的加热方式可产生结晶和非结晶两种状态。由于两种状态在有电流时电阻不同，因此能够记录“0”和“1”。只要不加热，两种状态就不会变化，因此就可实现非挥发性。

    正在进行OUM研究的英特尔在相变膜中使用的是硫族化物结晶。先将电阻加热器与硫族化物结晶相接触，然后通过接通电流就能改变接触部分的结晶状态。写入0时形成结晶状态。为了形成结晶状态，就要使温度在300～400度下保持20～50ns。写入1时，形成非结晶状态。此时，先加热至600度以上的高温，然后关闭电流后冷却1～2秒ns的时间。

    读取过程利用的是接通电流时电阻会因结晶状态的不同而变化的原理。在相变膜中接通电流时，在结晶状态下由于电阻小，电流就大；而非结晶状态下由于电阻大，就只能有少量电流通过。在英特尔目前采用的0.18μm工艺条件下，电阻在结晶和非结晶状态下分别为10kΩ以下和100kΩ以上。

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