几种新型非易失性存储器

引 言

更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时问、更低成本和更高可靠性是存储器设计和制造者追求的永恒目标。根据这一目标，人们研究各种存储技术，以满足应用的需求。本文对目前几种比较有竞争力和发展潜力的新型非易失性存储器做了一个简单的介绍。

铁电存储器(FeRAM)

铁电存储器是一种在断电时不会丢失内容的非易失存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。 当前应用于存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列，包括PbZr1-xTixO3，SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。铁电存储器的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性，按工作模式可以分为破坏性读出(DRO)和非破坏性读出(NDRO)。DRO模式是利用铁电薄膜的电容效应，以铁电薄膜电容取代常规的存储电荷的电容，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取。

铁电随机存取存储器(FeRAM)就是基于DRO工作模式。这种破坏性的读出后需重新写入数据，所以FeRAM在信息读取过程中伴随着大量的擦除/重写的操作。随着不断地极化反转，此类FeRAM会发生疲劳失效等可靠性问题。目前，市场上的铁电存储器全部都是采用这种工作模式。NDRO模式存储器以铁电薄膜来替代MOSFET中的栅极二氧化硅层，通过栅极极化状态(±Pr)实现对来自源—漏电流的调制，使它明显增大或减小，根据源—漏电流的相对大小即可读出所存储的信息，而无需使栅极的极化状态反转，因此它的读出方式是非破坏性的。基于NDRO工作模式的铁电场效应晶体管(FFET)是一种比较理想的存储方式。但迄今为止，这种铁电存储器尚处于实验室研究阶段，还不能达到实用程度。

Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的厂商。该公司刚推出高集成度的FM31系列器件，这些产品集成最新的FeRAM存储器，可以用于汽车电子、消费电子、通信、工业控制、仪表和计算机等领域。Toshiba公司与Infineon公司2003年合作开发出存储容量达到32Mb的FeRAM，该FeRAM采用单管单电容(1T1C)的单元结构和0.2mm工艺制造，存取时间为50ns，循环周期为75ns，工作电压为3.0V或2.5V。

Matsushita公司也在2003年7月宣布推出世界上第一款采用0.18mm工艺大批量制造的FeRAM嵌入式系统芯片(SOC)。该公司新开发的这种产品整合了多种新颖的技术，包括采用了独特的无氢损单元和堆叠结构，将存储单元的尺寸减小为原来的十分之一；采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微铁电电容，从而大幅减小了裸片的尺寸，拥有低功耗，工作电压仅为1.1V。2003年初，Symetrix公司向Oki公司授权使用NDRO FeRAM技术，后者采用0.25mm工艺生产NDRO FeRAM。NDRO FeRAM是基于Symetrix称为Trinion单元的新型技术，但是该公司没有披露具体的细节。

FeRAM已成为存储器家族中最有发展潜力的新成员之一。然而，FeRAM的批评者指出，当达到某个数量的读周期之后FeRAM单元将失去耐久性，而且由阵列尺寸限制带来的FeRAM成品率问题以及进一步提高存储密度和可靠性等问题仍然亟待解决。

磁性随机存储器(MRAM)

从原理上讲，MRAM的设计是非常诱人的，它通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。理论上来说，铁磁体是永久不会失效的，因此它的写入次数也是无限的。在MRAM发展初期所使用的磁阻元件是被称为巨磁阻(GMR)的结构，此结构由上下两层磁性材料，中间夹着一层非磁性材料的金属层所组成。由于GMR元件需较大电流成为无法突破的难点，因此无法达到高密度存储器的要求。与GMR不同的另一种结构是磁性隧道结 (MTJ)，如图1所示。MTJ与GMR元件的最大差异是隔开两层磁性材料的是绝缘层而非金属层。MTJ元件是由磁场调制上下两层磁性层的磁化方向成为平行或反平行来建立两个稳定状态，在反平行状态时通过此元件的电子会受到比较大的干扰，因此反映出较高的阻值；而在平行状态时电子受到的干扰较小得到相对低的阻值。MTJ元件通过内部金属导线所产生的磁场强度来改变不同的阻值状态，并以此记录“0”与“1”的信号。

                                  图1 MTJ元件结构示意图

MRAM当前面临的主要技术挑战就是磁致电阻太过微弱，两个状态之间的电阻只有30%~40%的差异，读写过程要识别出这种差异的话，还有一定的难度。不过，NVE公司于2003年11月宣布，其工程师研制成功迄今为止最高的自旋穿隧结磁阻(SDT)。该公司采用独特材料，室温下在两个稳定状态之间使穿隧磁阻变化超过70%。NVE已向包括Motorola公司在内的几家致力商用化MRAM的公司授权使用其MRAM知识产权。

IBM、Motorola和Infineon等公司的MRAM样品已纷纷出炉，预计2004-2005年MRAM的商用产品将陆续面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1Mb的MRAM芯片，据悉2003年10月该公司向其他公司推出了采用0.18mm工艺的4Mb MRAM样片。Toshiba和NEC公司的联合研究小组计划采用0.25mm磁性隧道结与0.18mm工艺相结合的方式，希望在2005年实现256Mb MRAM的量产。Infineon和IBM公司也在2003年6月联合宣布，他们开发出的高速128Kb MRAM采用0.18mm工艺制作，为目前业界工艺尺寸最小的MRAM产品，有望从2005年开始逐步取代现有的存储器，并获得广泛应用。