引 言

    更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時(shí)問(wèn)、更低成本和更高可靠性是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和制造者追求的永恒目標(biāo)。根據(jù)這一目標(biāo)，人們研究各種存儲(chǔ)技術(shù)，以滿足應(yīng)用的需求。本文對(duì)目前幾種比較有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资源鎯?chǔ)器做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

    鐵電存儲(chǔ)器(feram)

    鐵電存儲(chǔ)器是一種在斷電時(shí)不會(huì)丟失內(nèi)容的非易失存儲(chǔ)器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)前應(yīng)用于存儲(chǔ)器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列，包括pbzr1-xtixo3，srbi2ti2o9和bi4-xlaxti3o12等。鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理是基于鐵電材料的高介電常數(shù)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(yīng)，以鐵電薄膜電容取代常規(guī)的存儲(chǔ)電荷的電容，利用鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取。

    鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(feram)就是基于dro工作模式。這種破壞性的讀出后需重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)，所以feram在信息讀取過(guò)程中伴隨著大量的擦除/重寫(xiě)的操作。隨著不斷地極化反轉(zhuǎn)，此類feram會(huì)發(fā)生疲勞失效等可靠性問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上的鐵電存儲(chǔ)器全部都是采用這種工作模式。ndro模式存儲(chǔ)器以鐵電薄膜來(lái)替代mosfet中的柵極二氧化硅層，通過(guò)柵極極化狀態(tài)(±pr)實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自源—漏電流的調(diào)制，使它明顯增大或減小，根據(jù)源—漏電流的相對(duì)大小即可讀出所存儲(chǔ)的信息，而無(wú)需使柵極的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管(ffet)是一種比較理想的存儲(chǔ)方式。但迄今為止，這種鐵電存儲(chǔ)器尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還不能達(dá)到實(shí)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(chǎn)品集成最新的feram存儲(chǔ)器，可以用于汽車電子、消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、儀表和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。toshiba公司與infineon公司2003年合作開(kāi)發(fā)出存儲(chǔ)容量達(dá)到32mb的feram，該feram采用單管單電容(1t1c)的單元結(jié)構(gòu)和0.2mm工藝制造，存取時(shí)間為50ns，循環(huán)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(tǒng)芯片(soc)。該公司新開(kāi)發(fā)的這種產(chǎn)品整合了多種新穎的技術(shù)，包括采用了獨(dú)特的無(wú)氫損單元和堆疊結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)單元的尺寸減小為原來(lái)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(quán)使用ndro feram技術(shù)，后者采用0.25mm工藝生產(chǎn)ndro feram。ndro feram是基于symetrix稱為trinion單元的新型技術(shù)，但是該公司沒(méi)有披露具體的細(xì)節(jié)。

    feram已成為存儲(chǔ)器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。然而，feram的批評(píng)者指出，當(dāng)達(dá)到某個(gè)數(shù)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(lái)的feram成品率問(wèn)題以及進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度和可靠性等問(wèn)題仍然亟待解決。

    磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(mram)

    從原理上講，mram的設(shè)計(jì)是非常誘人的，它通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。理論上來(lái)說(shuō)，鐵磁體是永久不會(huì)失效的，因此它的寫(xiě)入次數(shù)也是無(wú)限的。在mram發(fā)展初期所使用的磁阻元件是被稱為巨磁阻(gmr)的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)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(wú)法突破的難點(diǎn)，因此無(wú)法達(dá)到高密度存儲(chǔ)器的要求。與gmr不同的另一種結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié) (mtj)，如圖1所示。mtj與gmr元件的最大差異是隔開(kāi)兩層磁性材料的是絕緣層而非金屬層。mtj元件是由磁場(chǎng)調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行來(lái)建立兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在反平行狀態(tài)時(shí)通過(guò)此元件的電子會(huì)受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；而在平行狀態(tài)時(shí)電子受到的干擾較小得到相對(duì)低的阻值。mtj元件通過(guò)內(nèi)部金屬導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變不同的阻值狀態(tài)，并以此記錄“0”與“1”的信號(hào)。

    圖1 mtj元件結(jié)構(gòu)示意圖

     mram當(dāng)前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)就是磁致電阻太過(guò)微弱，兩個(gè)狀態(tài)之間的電阻只有30%~40%的差異，讀寫(xiě)過(guò)程要識(shí)別出這種差異的話，還有一定的難度。不過(guò)，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(jié)磁阻(sdt)。該公司采用獨(dú)特材料，室溫下在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間使穿隧磁