几种新型非易失存储器的原理及发展趋势

蒋明曦，刘春岩

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

几种新型非易失存储器的原理及发展趋势

蒋明曦，刘春岩

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

介绍几种有发展潜力的新型非易失存储器的原理，如铁电存储器、磁性随机存储器、相变存储器和阻变存储器等，并在性能方面作了对比，最后对存在的问题和发展趋势进行了分析。

非易失存储器；铁电存储器；磁性随机存储器；相变存储器；阻变存储器

1 引 言

飞速发展的电子信息技术，对电子信息的存储及处理产品的需求呈现高速上升趋势。而现有存储技术暴露出自身的一些缺陷，如SRAM、DRAM的弱点是其易失性，断电情况下信息丢失且易受电磁辐射干扰，这一缺陷极大地限制了该技术在国防、航空航天等一系列关键高科技领域的应用。FLASH、EEPROM的写入速度慢，且写入算法比较复杂，无法满足实时处理系统中高速和高可靠写入的要求，且功耗较高，无法满足嵌入式应用的低功耗要求。因此对现有信息存储产品的性能提出了高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等更高要求，迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破。在这些需求的驱动下，相继出现了一些新型非易失存储器（NVM，Nov_volatile Memory），如铁电存储器（FRAM，Ferroelectric Random Access Memory）、相变存储器（PRAM，Phase Change Random Access Memory）、磁存储器（MRAM，Magnetic Random Access Memory）、阻变存储器（RRAM，Resistive Random Access Memory）。

2 新型非易失存储器原理介绍

2.1 铁电存储器（FRAM）

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。其核心技术是铁电晶体材料，存储原理是基于铁电晶体材料的高介电常数和铁电极化特性，铁电薄膜与半导体集成使得铁电存储产品同时拥有随机存取存储器（RAM）和非易失性存储产品的特性。FRAM的工作原理是利用金属-铁电-半导体场效应晶体管（MFSFET）结构，铁电薄膜用来替代MOS管中的栅极氧化硅层，铁电薄膜的极化控制了表面电势，因而控制了源极与漏极之间的电流，由极化状态的不同造成电流的差异用来感应逻辑信号。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电容，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取。NDRO模式存储器以铁电薄膜来替换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。图1是FRAM结构剖面图。

图1 FRAM结构剖面图

2.2 磁性存储器（MRAM）

MRAM是利用磁性隧道结（MTJ）的隧穿磁电阻效应来进行存储的，隧穿磁电阻效应是指MTJ的电阻在磁场中发生变化的物理效应。

元结构中MTJ有三层面（见图2），最上面为自由层，中间是隧道结，下面是固定层。自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固定层的磁场方向固定不变。当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低阻态；当磁场方向相反时，存储单元呈现高阻态。也就是说电阻的变化同电子的自旋极化隧穿输运相关。MRAM通过检测存储单元电阻的高低，来判断所存的数据是0还是1，如图3所示。

图2 MTJ结构图

图3 MRAM存储单元结构

2.3 相变存储器（PRAM）

PRAM是利用可逆相变材料晶态和非晶态的导电性差异实现存储。PRAM是一种非易失性存储技术，用的材料为硫系玻璃，基于硫族材料的电致相变，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性。每一个存储单元在被加热时呈晶体状，表示1；反之则为非晶体，表示0。只要施加很小的复位电流就可以实现这两种状态的切换。

图4 相变存储材料

2.4 阻变式存储器（RRAM）

RRAM是以薄膜材料的电阻在适当电压下可以在高阻态和低阻态之间实现可逆转换的原理，如果把高阻状态定义为“1”，低阻状态定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。

RRAM的存储单元具有简单的金属／阻变存储层／金属（MIM）三明治结构（见图5）。

3 几种新型非易失存储器性能分析

这几种新型存储器的共同特点是其存储单元都是基于不同材料特性，而不是传统的电荷存储技术的非易失性存储器。因此其存储单元的材料和结构决定了存储单元本身具有天然抗辐照的特性。也就是说基于材料特性的存储单元（如FRAM、MRAM、 RRAM、PRAM）抗辐照性能高于基于电荷存储技术的存储单元（如Flash）。而基于材料特性的存储器的整体抗辐照性能，主要取决于存储阵列外围电路的抗辐照能力。

图5 RRAM器件结构示意图

FRAM的读写速度主要取决于铁电材料的极化反转，而目前所用的铁电薄膜的极化反转速度理论上可达到皮秒量级。铁电材料的特性使得在不加电的情况下状态能够保持稳定不变，因此FRAM不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，拥有高速读写、超低功耗和无限次写入等超级特性。因此铁电晶体材料在高性能领域方面正在逐步替代EEPROM和FLASH器件。

MRAM运用磁性存储数据，在容量成本上有了很大的降低，同时具有非挥发性、低功耗、高速存取、无限次读写、抗辐射等优点，在空间、军事、移动通讯等领域的应用有很大优势。MRAM主要的替代目标是DRAM和SRAM。大多数移动设备的存储器架构，是由高速作业用存储DRAM和虽然速度慢、但存储容量较大的闪存构成的。而MRAM速度快、可反复擦写，因此最适合作为高速作业用存储器。又因为MRAM不会挥发，所以不用像DRAM一样升级更新，因此可以把电力消耗降低至1／10以下。

PRAM被视为FLASH和DRAM的接班人。读写速度是普通闪存的30倍，同时其擦写寿命也是闪存的10倍。PRAM的最大优点是高效能和低耗电。高存取速度、非易失性、工艺简单和多值化存储是其最主要的优势。

RRAM具有与CMOS工艺兼容性好、低功耗、易于随先进工艺微缩等优点因而受到广泛关注。很多公司和科研机构都在研究如何采用新型存储器来实现FPGA的编程技术，克服传统FPGA编程技术的缺陷，促使FPGA向更大容量、更低功耗和更高性能发展。表1给出了这几种存储器已有产品的性能对比数据。

表1 几种存储器的性能比较

4 几种新型非易失存储器技术发展趋势

FRAM目前作为新型存储器的主要问题是铁电薄膜材料。据报道目前产品化容量已达8MBit。主要的铁电薄膜材料有两类：一类是钙钛矿结构的锆钛酸铅Pb（Zr Ti）O3（即PZT），另一类是铋系层钙钛矿结构的钽酸锶铋SrBi2Ta2O9（即SBT）。目前成熟的工艺采用PZT铁电材料、堆叠式存储单元结构实现的。FRAM未来发展要解决的主要难题：一是采用3D单元结构缩小单元面积提高集成度；二是提高铁电薄膜性能。

MRAM的主要缺点为制造成本十分高昂，据报道目前产品化容量已达256MBit，主要面向工业级产品。但其改进型STT-MRAM和NAND闪存一样可以通过提高制程牺牲一些寿命换取成本下降，另外MRAM是在集成硅电路的磁性材料中存储信息，周围的磁场会对芯片产生一定影响，对于高磁环境下的磁场屏蔽也是值得考虑的问题。

PRAM的最大问题是成本和容量。据报道目前产品容量已达512MBit，PRAM的单位容量成本比MLC NAND还高不少。此外，与已经实现25nm工艺生产的NAND型闪存相比，使用更先进的工艺生产还需要解决一些问题，其中一个很大的问题是发热。由于PRAM需要使用加热电阻来使相变材料发生相变，工艺越先进，单元越精细，对加热元件的控制要求也越高，发热带来的影响也越大。发热和较大的耗电量可能会限制PRAM的进一步发展。

RRAM是一项前沿的研究课题。目前关于RRAM物理机制的研究已取得了较快进展，但这些机制大都停留在实验现象上，缺乏直接的实验依据。电阻转变部位的确认、电阻转变过程中元素的变化以及电阻转变的重复性问题，是当前RRAM研究所面临的紧要问题。同时，在众多材料中寻找性能、制备、拓展性都满足要求的材料仍是RRAM发展的关键。可以预期的是，在未来的若干年时间中它将会更广泛地应用于具有各种各样新型智能化功能的电路芯片，乃至使电子与计算机科学技术等领域发生革命性的变化。

5 结束语

新型非易失存储器以其超高速、大容量、高可靠及超低功耗等特点在国防、航空航天等领域中越来越受到亲睐，国外大公司在新型非易失存储器的研究中都有着不同的选择，并不断推出新产品。技术方面各种机理研究已基本完善，关键技术焦点主要集中在材料的选择和工艺的成熟性。国内在新型非易失存储器领域的研究也已经开展多年，国家也投入了不少，取得了一些进展，但距离工程化还有差距。应该加强FRAM、MRAM、PRAM的工程化技术研究，加大RRAM的研究力度，特别是其加固性能的研究应该得到重视。

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［4］ 管伟华.前瞻非挥发性半导体存储器研究［D］.北京：中国科学院微电子研究所，2008.

Principle and Development of Several Nonvolatile Memories

JIANG Ming-xi，LIU Chun-yan
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The article introduces the principle of such nonvolatilememorirs as FRAM（Ferroelectric Random Access Memory），PRAM（Phase Change Random Access Memory），MRAM（Magnetic Random Access Memory），RRAM（Resistive Random Access Memory），etc.，and compares their performance.Finally，itmakes an analysis on them for the existing problems and the development trend.

NVM；FRAM；PRAM；MRAM；RRAM

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.02.002

TN4

B

1002-2279（2014）02-0005-03

蒋明曦（1981-），女，吉林省松原市人，工程师，主研方向：微电子技术研究。

2013-12-19