摘  要： 本文簡單介紹了鐵電存儲器、磁性隨機存儲器和相變存儲器這三種比較有發展潛力存儲器的原理、研究進展及存在的問題等。

引言
更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時問、更低成本和更高可靠性是存儲器設計和制造者追求的永恒目標。根據這一目標，人們研究各種存儲技術，以滿足應用的需求。本文對目前幾種比較有競爭力和發展潛力的新型非易失性存儲器做了一個簡單的介紹。

圖1 MTJ元件結構示意圖

鐵電存儲器(FeRAM)
鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失內容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優點。
當前應用于存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結構系列，包括PbZr1-xTixO3，SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。鐵電存儲器的存儲原理是基于鐵電材料的高介電常數和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出(DRO)和非破壞性讀出(NDRO)。DRO模式是利用鐵電薄膜的電容效應，以鐵電薄膜電容取代常規的存儲電荷的電容，利用鐵電薄膜的極化反轉來實現數據的寫入與讀取。鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)就是基于DRO工作模式。這種破壞性的讀出后需重新寫入數據，所以FeRAM在信息讀取過程中伴隨著大量的擦除/重寫的操作。隨著不斷地極化反轉，此類FeRAM會發生疲勞失效等可靠性問題。目前，市場上的鐵電存儲器全部都是采用這種工作模式。NDRO模式存儲器以鐵電薄膜來替代MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過柵極極化狀態(±Pr)實現對來自源—漏電流的調制，使它明顯增大或減小，根據源—漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息，而無需使柵極的極化狀態反轉，因此它的讀出方式是非破壞性的。基于NDRO工作模式的鐵電場效應晶體管(FFET)是一種比較理想的存儲方式。但迄今為止，這種鐵電存儲器尚處于實驗室研究階段，還不能達到實用程度。
Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的廠商。該公司剛推出高集成度的FM31系列器件，這些產品集成最新的FeRAM存儲器，可以用于汽車電子、消費電子、通信、工業控制、儀表和計算機等領域。Toshiba公司與Infineon公司2003年合作開發出存儲容量達到32Mb的FeRAM，該FeRAM采用單管單電容(1T1C)的單元結構和0.2mm工藝制造，存取時間為50ns，循環周期為75ns，工作電壓為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工藝大批量制造的FeRAM嵌入式系統芯片(SOC)。該公司新開發的這種產品整合了多種新穎的技術，包括采用了獨特的無氫損單元和堆疊結構，將存儲單元的尺寸減小為原來的十分之一；采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微鐵電電容，從而大幅減小了裸片的尺寸，擁有低功耗，工作電壓僅為1.1V。2003年初，Symetrix公司向Oki公司授權使用NDRO FeRAM技術，后者采用0.25mm工藝生產NDRO FeRAM。NDRO FeRAM是基于Symetrix稱為Trinion單元的新型技術，但是該公司沒有披露具體的細節。
FeRAM已成為存儲器家族中最有發展潛力的新成員之一。然而，FeRAM的批評者指出，當達到某個數量的讀周期之后FeRAM單元將失去耐久性，而且由陣列尺寸限制帶來的FeRAM成品率問題以及進一步提高存儲密度和可靠性等問題仍然亟待解決。

圖2 OUM存儲單元結構示意圖

磁性隨機存儲器(MRAM)
從原理上講，MRAM的設計是非常誘人的，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉方向來達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進制數據存儲能力。理論上來說，鐵磁體是永久不會失效的，因此它的寫入次數也是無限的。在MRAM發展初期所使用的磁阻元件是被稱為巨磁阻(GMR)的結構，此結構由上下兩層磁性材料，中間夾著一層非磁性材料的金屬層所組成。由于GMR元件需較大電流成為無法突破的難點，因此無法達到高密度存儲器的要求。與GMR不同的另一種結構是磁性隧道結 (MTJ)，如圖1所示。MTJ與GMR元件的最大差異是隔開兩層磁性材料的是絕緣層而非金屬層。MTJ元件是由磁場調制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行來建立兩個穩定狀態，在反平行狀態時通過此元件的電子會受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；而在平行狀態時電子受到的干擾較小得到相對低的阻值。MTJ元件通過內部金屬導線所產生的磁場強度來改變不同的阻值狀態，并以此記錄“0”與“1”的信號。
MRAM當前面臨的主要技術挑戰就是磁致電阻太過微弱，兩個狀態之間的電阻只有30%~40%的差異，讀寫過程要識別出這種差異的話，還有一定的難度。不過，NVE公司于2003年11月宣布，其工程師研制成功迄今為止最高的自旋穿隧結磁阻(SDT)。該公司采用獨特材料，室溫下在兩個穩定狀態之間使穿隧磁阻變化超過70%。NVE已向包括Motorola公司在內的幾家致力商用化MRAM的公司授權使用其MRAM知識產權。
IBM、Motorola和Infineon等公司的MRAM樣品已紛紛出爐，預計2004-2005年MRAM的商用產品將陸續面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1Mb的MRAM芯片，據悉2003年10月該公司向其他公司推出了采用0.18mm工藝的4Mb MRAM樣片。Toshiba和NEC公司的聯合研究小組計劃采用0.25mm磁性隧道結與0.18mm工藝相結合的方式，希望在2005年實現256Mb MRAM的量產。Infineon和IBM公司也在2003年6月聯合宣布，他們開發出的高速128Kb MRAM采用0.18mm工藝制作，為目前業界工藝尺寸最小的MRAM產品，有望從2005年開始逐步取代現有的存儲器，并獲得廣泛應用。

相變存儲器(OUM)
奧弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)在1968年發表了第一篇關于非晶體相變的論文，創立了非晶體半導體學。一年以后，他首次描述了基于相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態呈現不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態和晶態分別代表“0”和“1”來存儲數據。后來，人們將這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。相變存儲器是基于奧弗辛斯基效應的元件，因此被命名為奧弗辛斯基電效應統一存儲器(OUM)，如圖2所示。從理論上來說，OUM的優點在于產品體積較小、成本低、可直接寫入(即在寫入資料時不需要將原有資料抹除)和制造簡單，只需在現有的CMOS工藝上增加2~4次掩膜工序就能制造出來。
OUM是世界頭號半導體芯片廠商Intel公司推崇的下一代非易失性、大容量存儲技術。Intel和該項技術的發明廠商Ovonyx 公司一起，正在進行技術完善和可制造性方面的研發工作。Intel公司在2001年7月就發布了0.18mm工藝的4Mb OUM測試芯片，該技術通過在一種硫化物上生成高低兩種不同的阻抗來存儲數據。2003年VLSI會議上，Samsung公司也報道研制成功以Ge2Sb2Te5(GST)為存儲介質，采用0.25mm工藝制備的小容量OUM，工作電壓在1.1V，進行了1.8x109 讀寫循環，在1.58x109循環后沒有出現疲勞現象。
不過OUM的讀寫速度和次數不如FeRAM和MRAM，同時如何穩定維持其驅動溫度也是一個技術難題。2003年7月，Intel負責非易失性存儲器等技術開發的S.K.Lai還指出OUM的另一個問題：OUM的存儲單元雖小，但需要的外圍電路面積較大，因此芯片面積反而是OUM的一個頭疼問題。同時從目前來看，OUM的生產成本比Intel預想的要高得多，也成為阻礙其發展的瓶頸之一。

結語
FeRAM、MRAM和OUM這三種存儲器與傳統的半導體存儲器相比有許多突出的優點，其應用前景十分誘人。近年來，人們對它們的研究己取得了可喜的進展，尤其是FeRAM己實現了初步的商業應用。但它們要在實際應用上取得進一步重大突破，還有大量的研究工作要做。同時存儲技術的發展是沒有止境的，但是追求更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時間、更低成本和更高可靠性的目標永遠不會改變。