PCRAM（相变存储器）和RRAM（阻变存储器） - 深入读懂半导体存储技术及市场，鄙文即可！

　　3） PCRAM（相变存储器）

　　PCM（Phase Change RAM）：相变随机存储器，此类存储器利用材料晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储信息，过程主要可以分为SET和RESET两步。当材料处于非晶态时，升高温度至高于再结晶温度但低于熔点温度，然后缓慢冷却（这一过程是制约PCM速度的关键因素），材料会转变为晶态（这一步骤被称为SET），此时材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，故电阻率较低。当材料处于晶态时，升高温度至略高于熔点温度，然后进行淬火迅速冷却，材料就会转变为非晶态（这一步骤被称为RESET），此时材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，故电阻率很高。相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级，使得其具有较高的噪声容限，足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物（英特尔为代表）和含锗、锑、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半导体为代表）。

　　

　　图15.PCM的结构图

　　PCM优点：

　　a）低延时，读写时间均衡：与NANDflash相比，PCM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，故其速度比NAND有优势，读写时间较为均衡。

　　b）寿命长：PCM读写是非破坏性的，故其耐写能力远超过闪存，用PCM来取代传统机械硬盘的可靠性更高。

　　c）功耗低：PCM 没有机械转动装置，保存代码或数据也不需要刷新电流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

　　d）密度高：部分PCM采用非晶体管设计，可实现高密度存储。

　　e）抗辐照特性好：PCM存储技术与材料带电粒子状态无关，故其具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天的需求。

　　PCM研发难点：

　　A）器件功耗与工作速度难以兼顾：为了减少器件功耗，应尽量降低相变材料的热导率，以提高热量的利用率；但同时过低的热导率使得相变单元的绝热常数过高，不利于RESET后的快速冷却，影响了器件的工作速度。

　　B）高密度情况下的热串扰问题：在当一个器件单元中的相变材料处在高温熔化状态时，热扩散可能会使相邻的器件单元也发生相变，从而导致存储信息的错误。

　　串扰电流影响数据稳定性：目前二极管作为选通管是高密度PCM的一个主要选择，但其制备工艺会导致同一字线上相邻二极管之间会形成寄生三极管，而寄生三极管的串扰电流又会影响数据稳定性。

　　C）材料需兼备高结晶温度和低熔点：数据保存时间与非晶态的热稳定性有关，即PCM材料需要几倍较高的结晶温度，同时，为了降低功耗，其熔点不能太高。

　　D）相变前后体积变化影响器件可靠性：材料发生非晶态和晶态之间的转变时，其体积会发生变化，进而可能导致相变材料和与其接触的电极材料发生剥离，器件失效。

　　4） RRAM（阻变存储器）

　　RRAM（Resistive RandomAccess Memory）：阻变式存储器，典型的RRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。选用材料的不同会对实际作用机制带来较大差别，但本质都是经由外部刺激（如电压）引起存储介质离子运动和局部结构变化，进而造成电阻变化，并利用这种电阻差异来存储数据。目前最被接受的RRAM机理是导电细丝理论，基于细丝导电的器件将不依赖于器件的面积，故其微缩潜力很大。RRAM所选用的材料多为金属氧化物，此外硫化物及有机介质材料也受到了一定的关注。

　　

　　图16，RRAM的器件单元及储存原理

　　RRAM优点：

　　高速度：RRAM擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100ns。

　　耐久性：RRAM读写和NAND不同，采用的是可逆无损害模式，从而可以大大提高其使用寿命。

　　具备多位存储能力：部分RRAM材料还具备多种电阻状态，使得当个存储单元存储多位数据成为可能，从而提高存储密度。

　　RRAM缺点：

　　丝状电阻扩展难：大多数的RRAM都是丝状的，需要编程来统计每一次丝状的变化。因此要想扩展非常困难，速度也不够理想，同时，丝状结构会提升电流密度，并对性能与可靠性造成影响性。

　　相邻单元串扰和器件微缩能力难以兼顾：RRAM的存储器矩阵可以分为无源矩阵和有源矩阵两种，无源矩阵的存储单元由一个阻变元件以及一个非线性元件（一般使用二极管）相连，后者的作用是使阻变元件得到合适的分压，从而避免阻变元件处于低阻态时，存储单元读写信息丢失。这种方法的优点是设计比较简单，工艺微缩性好，但采用无源矩阵会使相邻单元间不可避免地存在干扰。有源单元则由晶体管来控制阻变元件的读写与擦除，虽可良好隔离相邻单元的干扰，但其设计更复杂，且器件可微缩性较差。