相变存储器浅谈
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消 费 电子
计算机科学
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ
２ ０ １ ３ 年 ７月下
相变存储器浅谈
杨 小鹿
（ 吉林 大学 ，长春
１ ３ ０ ０ １ ２）
摘 要 ：非易失性存储 器在 日常生活中起 着重要 作用 ，它断电后 可以继续保存数 据。存储 器也朝着更小、更快、 低 功耗 的方 向发展 。而相 变存储 器（ ｐ ｈ ａ ｓ Ｐ —ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ，Ｐ Ｃ Ｍ） 由于其 高密度、低功耗 、工 艺兼容等特点 ，引起 了广泛的注意。本文 简单地对相变存储 器介绍和说明。 关键 词 ：相 变存储 器；非 易失性存储 器 ・ 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ３ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ４ － ０ ０ ９ ８ － ０ １
（ 二）缺点 １ ． ‘ 单位成本 高。相对 目前流行 的 Ｍ Ｌ Ｃ Ｎ Ａ Ｄ Ａ ，单位容量成 本较高 ， 这也 是当年 闪存所经历 的过程 ， 随着工艺的完善相信 能够得 到解 决。 ２ ． 发热和耗 能过大 。因为完成相变过程就是依靠 电压 、电 流控制 发热 功率来实现 的。随着节 点的越来越小 ， 对加热控制 元件要求也就越 高， 与此带来 的发热 问题就越来越 明显 。 发热 和耗胄 甚 是 目前制约其发展 的重要原 因。 ３ ． 电路设计不 完善 。 目前 相变材料五花 八 门和热传 导效 应 ，Ｐ Ｃ Ｍ电路设计较其他存储器有很大不 同当高速度、大数据
相 是理化 上的一个概念 ， 它表示某种物 质化 学性 质没 有变 化 ，但是其物 理状 态 已经改变 ，如水在物理上有气相 、液相 、 固相的状态 。 而相变就是 当外部环境变化 时从一种相 到另 外一 种相 的过程 。相变 导致很 多物 理性 质的改变 ，如光的折射率、
电阻率等等 。 如 果想利用物质 的相 变存 储信 息， 就必 须保 证相 的状态是稳定 的。 目前相变存储器就是利用硫族化合物 晶态和 非晶态之 间转化后 导电性 的差异来存储数据 。 三 、相变存储器 的原理 相变存储器 的数据 的写入和读取分 为三个过程 ， 分别是“ Ｓ 量 时对 电路要求就十分苛刻 ，在这方面 Ｐ Ｃ Ｍ 还有很长的路要 ｅ ｔ ” 、“ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ＂和 “ Ｒ ｅ ａ ｄ ” 。 走。 “ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ”是逻辑 复位 “ ０ ” ：瞬间施加 一个 窄而强的 电流 ， 五 、相变存储器今后发展 大约 ｌ Ｏ ｎ ｓ 。而后快速 的冷却 ，让相变材料 从晶体变 为非晶体， 作为一种新型的非易失性存储器 ，它集 Ｄ Ｒ Ａ Ｍ ，Ｎ Ａ Ｄ Ｎ ，Ｅ Ｅ Ｐ 电阻率 提高两个数量级 以上 。呈高 阻态 逻辑 为 “ ０ ” 。 Ｒ Ｏ Ｍ各种 存储器的优点一体 。目前 相变 存储 器在 嵌入式系统中 “ Ｓ ｅ ｔ ”是设置逻 辑 “ １ ” ：施加宽而弱 的电流 ，大约几十 Ｒ Ｓ 。让相变材料渐渐结 晶。降低 电阻率 ，实现设置逻辑 “ １ ” 。 “ Ｒ ｅ ａ ｄ ”是读取过程 ：在两端施加足够低 的电压 以测量 。 如果得 到较 小的 电流说 明呈高阻态 ，即逻辑 “ ０ ” ，如果 电流较 大 ，即是 “ １ ” 。由于两端的功率很小，因此不会改变存储的数 据 。是非破坏读 取。 四、相 变存储器的优缺点 （ 一 ）优 点 ． １ ． 高读写速度 。相变材料 结晶速 度一般在 ５ ０ ｎ ｓ以下，写 入速度快 。与一般 Ｎ Ａ Ｎ Ｄ和 Ｎ Ｏ Ｒ（ 两种 目前流行 的非易失性闪 存 ）有所 不同的是 ，Ｐ Ｃ Ｍ写入新数据时不用执行擦除过程 。这 意味着 Ｐ Ｃ Ｍ就可 以从存储器 直接执行代码 ， 不需要将代码读 入
发展迅速 ， 三星公司利用 Ｐ Ｃ Ｍ已完成试验机的测试 。 但是否能 在 存储 器市场像 Ｎ Ａ Ｄ Ｎ一样流行，必须解决成较 高和 容量普遍 偏 小的局面 。 我国 目前在这方便也 取得一定的成绩， 但是较 国 外英特 尔、三星 、日立等大公司差距依 旧很大 。相变 存储器在 飞速发展的 同时，Ｆ Ｅ Ｒ Ａ Ｍ（ 铁 电存储器 ） 、Ｍ Ｒ Ａ Ｍ（ 磁性存储器 ） 、 Ｒ Ｅ Ｒ Ａ Ｍ（ 电阻记忆体 ）等 新兴 非易失性存储器也在 飞速发 展， 在 未来的存 储器市场 竞争 中到底谁能取得胜 利， 尚不可知。 参 考文献： … 刘波 ， 宋志棠， 封松 林 ＿ 我国相 变存储 器的研 究现 状与发 展 前景 【 Ｉ １ ． 微纳 电子技术， ２ ０ ０ ７ ， ２ ： ５ ５ — ６ １ ． ［ ２ 】 邓志欣， 等＿ 才 日 变存储 器 简介与展 望卟 中国集成 电路， ２ ０
一
、
３ ． 工艺简单 ，潜力大 。与其他一些未来存储器技术对 比， Ｐ Ｃ Ｍ的工艺较为容易实验 。 在 目前 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 工艺之上 ， 只需增加 ２ ４ 次掩膜 即可。作为一种 商业产 品，任何一家企业都不会放 弃如此大的商业利润 ，同时也推动着 Ｐ Ｃ Ｍ技术不断进 步。 ４ ． 多态存储和 多层存储 多态存 储即在同一个存储 单位 中存 储多个数 据。 相变材料 最大阻值和最小阻值 往往 相差几个 数量 级， 这样就给多态存储 留下了很大空间 。 多层存储 是可将 多个 Ｐ Ｃ Ｍ堆 叠起来 ， 形成一 个 三维 的存 储阵列，从而为大容量 ，小空间，低功耗开辟 了新 道 路。
引言 非 易失性 存储 器 （ ｎ ｏ ｎ －ｖ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｌ ｅ ｍ ｅ ｍ ｏ ｒ ｙ ，Ｎ Ｖ Ｍ ） 在信 息技 术 中扮演着重要 的角色 。 传统非 易失性存储器主要包括 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ （ 可擦写可编程只读存储器 ） 、Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ（ 电可擦可编程 只读存 储器 ） 、Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ（ 闪存 ）等 。在当前市场中 ，Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ存储器渐渐 占据 了统治地位 。但是 ，ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 存 储器 也存 在着 一些 问题 ．其 在读 写过程中的高能热 电子可能会 引起存储器本身 的损坏 ， 影 响器 件可靠性 ；同时，Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ存储 器在 对某 一位 数据进行擦除 时，需要将 整个数据 块的数据擦除， 这 大大 影响 了存 储器 的速 开始崭 露头 脚 ， 目前最引人瞩 目的当属相变存储器 了。 二 、相 和相变
计算机科学
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ
２ ０ １ ３ 年 ７月下
相变存储器浅谈
杨 小鹿
（ 吉林 大学 ，长春
１ ３ ０ ０ １ ２）
摘 要 ：非易失性存储 器在 日常生活中起 着重要 作用 ，它断电后 可以继续保存数 据。存储 器也朝着更小、更快、 低 功耗 的方 向发展 。而相 变存储 器（ ｐ ｈ ａ ｓ Ｐ —ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ，Ｐ Ｃ Ｍ） 由于其 高密度、低功耗 、工 艺兼容等特点 ，引起 了广泛的注意。本文 简单地对相变存储 器介绍和说明。 关键 词 ：相 变存储 器；非 易失性存储 器 ・ 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ３ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ４ － ０ ０ ９ ８ － ０ １
（ 二）缺点 １ ． ‘ 单位成本 高。相对 目前流行 的 Ｍ Ｌ Ｃ Ｎ Ａ Ｄ Ａ ，单位容量成 本较高 ， 这也 是当年 闪存所经历 的过程 ， 随着工艺的完善相信 能够得 到解 决。 ２ ． 发热和耗 能过大 。因为完成相变过程就是依靠 电压 、电 流控制 发热 功率来实现 的。随着节 点的越来越小 ， 对加热控制 元件要求也就越 高， 与此带来 的发热 问题就越来越 明显 。 发热 和耗胄 甚 是 目前制约其发展 的重要原 因。 ３ ． 电路设计不 完善 。 目前 相变材料五花 八 门和热传 导效 应 ，Ｐ Ｃ Ｍ电路设计较其他存储器有很大不 同当高速度、大数据
相 是理化 上的一个概念 ， 它表示某种物 质化 学性 质没 有变 化 ，但是其物 理状 态 已经改变 ，如水在物理上有气相 、液相 、 固相的状态 。 而相变就是 当外部环境变化 时从一种相 到另 外一 种相 的过程 。相变 导致很 多物 理性 质的改变 ，如光的折射率、
电阻率等等 。 如 果想利用物质 的相 变存 储信 息， 就必 须保 证相 的状态是稳定 的。 目前相变存储器就是利用硫族化合物 晶态和 非晶态之 间转化后 导电性 的差异来存储数据 。 三 、相变存储器 的原理 相变存储器 的数据 的写入和读取分 为三个过程 ， 分别是“ Ｓ 量 时对 电路要求就十分苛刻 ，在这方面 Ｐ Ｃ Ｍ 还有很长的路要 ｅ ｔ ” 、“ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ＂和 “ Ｒ ｅ ａ ｄ ” 。 走。 “ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ”是逻辑 复位 “ ０ ” ：瞬间施加 一个 窄而强的 电流 ， 五 、相变存储器今后发展 大约 ｌ Ｏ ｎ ｓ 。而后快速 的冷却 ，让相变材料 从晶体变 为非晶体， 作为一种新型的非易失性存储器 ，它集 Ｄ Ｒ Ａ Ｍ ，Ｎ Ａ Ｄ Ｎ ，Ｅ Ｅ Ｐ 电阻率 提高两个数量级 以上 。呈高 阻态 逻辑 为 “ ０ ” 。 Ｒ Ｏ Ｍ各种 存储器的优点一体 。目前 相变 存储 器在 嵌入式系统中 “ Ｓ ｅ ｔ ”是设置逻 辑 “ １ ” ：施加宽而弱 的电流 ，大约几十 Ｒ Ｓ 。让相变材料渐渐结 晶。降低 电阻率 ，实现设置逻辑 “ １ ” 。 “ Ｒ ｅ ａ ｄ ”是读取过程 ：在两端施加足够低 的电压 以测量 。 如果得 到较 小的 电流说 明呈高阻态 ，即逻辑 “ ０ ” ，如果 电流较 大 ，即是 “ １ ” 。由于两端的功率很小，因此不会改变存储的数 据 。是非破坏读 取。 四、相 变存储器的优缺点 （ 一 ）优 点 ． １ ． 高读写速度 。相变材料 结晶速 度一般在 ５ ０ ｎ ｓ以下，写 入速度快 。与一般 Ｎ Ａ Ｎ Ｄ和 Ｎ Ｏ Ｒ（ 两种 目前流行 的非易失性闪 存 ）有所 不同的是 ，Ｐ Ｃ Ｍ写入新数据时不用执行擦除过程 。这 意味着 Ｐ Ｃ Ｍ就可 以从存储器 直接执行代码 ， 不需要将代码读 入
发展迅速 ， 三星公司利用 Ｐ Ｃ Ｍ已完成试验机的测试 。 但是否能 在 存储 器市场像 Ｎ Ａ Ｄ Ｎ一样流行，必须解决成较 高和 容量普遍 偏 小的局面 。 我国 目前在这方便也 取得一定的成绩， 但是较 国 外英特 尔、三星 、日立等大公司差距依 旧很大 。相变 存储器在 飞速发展的 同时，Ｆ Ｅ Ｒ Ａ Ｍ（ 铁 电存储器 ） 、Ｍ Ｒ Ａ Ｍ（ 磁性存储器 ） 、 Ｒ Ｅ Ｒ Ａ Ｍ（ 电阻记忆体 ）等 新兴 非易失性存储器也在 飞速发 展， 在 未来的存 储器市场 竞争 中到底谁能取得胜 利， 尚不可知。 参 考文献： … 刘波 ， 宋志棠， 封松 林 ＿ 我国相 变存储 器的研 究现 状与发 展 前景 【 Ｉ １ ． 微纳 电子技术， ２ ０ ０ ７ ， ２ ： ５ ５ — ６ １ ． ［ ２ 】 邓志欣， 等＿ 才 日 变存储 器 简介与展 望卟 中国集成 电路， ２ ０
一
、
３ ． 工艺简单 ，潜力大 。与其他一些未来存储器技术对 比， Ｐ Ｃ Ｍ的工艺较为容易实验 。 在 目前 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 工艺之上 ， 只需增加 ２ ４ 次掩膜 即可。作为一种 商业产 品，任何一家企业都不会放 弃如此大的商业利润 ，同时也推动着 Ｐ Ｃ Ｍ技术不断进 步。 ４ ． 多态存储和 多层存储 多态存 储即在同一个存储 单位 中存 储多个数 据。 相变材料 最大阻值和最小阻值 往往 相差几个 数量 级， 这样就给多态存储 留下了很大空间 。 多层存储 是可将 多个 Ｐ Ｃ Ｍ堆 叠起来 ， 形成一 个 三维 的存 储阵列，从而为大容量 ，小空间，低功耗开辟 了新 道 路。
引言 非 易失性 存储 器 （ ｎ ｏ ｎ －ｖ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｌ ｅ ｍ ｅ ｍ ｏ ｒ ｙ ，Ｎ Ｖ Ｍ ） 在信 息技 术 中扮演着重要 的角色 。 传统非 易失性存储器主要包括 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ （ 可擦写可编程只读存储器 ） 、Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ（ 电可擦可编程 只读存 储器 ） 、Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ（ 闪存 ）等 。在当前市场中 ，Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ存储器渐渐 占据 了统治地位 。但是 ，ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 存 储器 也存 在着 一些 问题 ．其 在读 写过程中的高能热 电子可能会 引起存储器本身 的损坏 ， 影 响器 件可靠性 ；同时，Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ存储 器在 对某 一位 数据进行擦除 时，需要将 整个数据 块的数据擦除， 这 大大 影响 了存 储器 的速 开始崭 露头 脚 ， 目前最引人瞩 目的当属相变存储器 了。 二 、相 和相变