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記憶體/儲存  

從專利角度透視PCRAM技術的最新發展

上網時間: 2007年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PCRAM  MRAM  FRAM 

通用記憶體是晶片產業長期以來的追求目標。稍早之前,相變隨機存取記憶體(PCRAM)、磁阻隨機存取記憶體(MRAM)和鐵電隨機存取記憶體(FRAM)曾被視為可取代快閃記憶體、SRAM和DRAM的三大主要競爭技術。

Cypress半導體公司曾率先於2005年發佈其MRAM技術,但隨即撤出此一市場,因為擔心SRAM和DRAM的銷售會阻擋任何真正的(新技術)市場滲透。不過,沿續著MRAM的發展道路,飛思卡爾於2006年7月宣佈推出一款4Mb的MRAM商用晶片。另一方面,FRAM的應用在一些特定領域也不斷成長。不過,目前業界關注的焦點仍是PCRAM。

透過業界的支援,PCRAM看來將成為快閃記憶體的替代選項。自2003年以來,意法半導體(ST)、英特爾(Intel)和Ovonyx便攜手開發相變技術。即使是從作為通用記憶體的角度來考量,相變記憶體仍能滿足SRAM或DRAM替代技術所需的耐久性水準。

由於缺乏可供分析的PCRAM元手,我們此次是透過最近發佈的美國專利和公開發佈的應用來分析這項技術。PCRAM的記憶體單元基於一種相變材料(PCM),通常來自於是一系列硫化物材料。最近該領域頒佈的專利中,許多都以單位記憶單元(unit cell)的材料和結構為中心。這顯示開發工作仍然集中在新的材料系統上,同時相關電路可能來自於目前的記憶體技術。

以下是Semiconductor Insights針對我們認為有趣的專利文件所提出的觀點。不過,這不宜視為對PCRAM專利現況的全面性概述。本文描述了英特爾、Ovonyx、意法半導體和三星(Samsung)公司的專利,看起來,這些專利技術似乎都為PCRAM所面臨的挑戰提供了引人矚目的解決方案。

儲存機制

在針對本文描述的專利進行分析之際,我們應藉此考量PCRAM內部數據儲存的基本機制。圖1所示為PCM的溫度與時間關係圖。為便於討論,我們假設PCM最初處於晶相(crystalline phase)狀態。為了獲得非晶相(amorphous phase)狀態,PCM被加熱至溫度超過熔點(Tm),對許多硫化物來說,其熔點約在600℃左右。緊接著PCM會迅速冷卻,如曲線1所示。

圖1:將PCM從晶相狀態轉變到非晶相狀態的加熱和冷卻過程。
圖1:將PCM從晶相狀態轉變到非晶相狀態的加熱和冷卻過程。

對於PCRAM而言,這種升溫可透過對元件本身施加電流,或透過緊鄰PCM元件的加熱器來實現。這種電流被稱為IRESET。利用上述處理過程,可把‘0’寫入記憶體單元。若要把‘1’ 寫入記憶體單元,PCM的溫度必須提高到結晶溫度(Tc)以上,並保持在這一溫度,以利於晶體成核和晶體結構生長,如曲線2所示。這種情況下,所施加的電流被稱為ISET。

在向記憶體單元寫入1和0的過程中,有兩大棘手問題,而目前的研究和已發佈的專利中,有許多都旨在直接或間接解決這些難題。

第一個問題是用於把PCM加熱到所需溫度的電流相當大。事實上,隨著製程幾何尺寸的微縮,該電流大到足以讓人擔心單元存取電晶體能否繼續提供所需的電流。在2003年的國際電子元件會議(IEDM)上,英特爾的Stefan Lai首次在發表的技術論文中探討了微縮比例問題。相變的溫度由相位圖設定,並需考慮提高加熱效率的方法。這可能包括提高電流密度、減少經歷轉換的材料的用量,以及降低被加熱空間的傳導率等。

其次,有關PCM相變(即非晶態和晶態之間的轉換)的耐久性應該是無限的。但這種轉換會造成體積的變化,這在PCM元件內產生很大的應力。同樣地,這種應力對記憶體單元而言可能是一種磨損機制,因為不斷的循環將造成PCM元件周圍各個接觸面的損耗。

降低電流的不同方案

在減少編程電流方面,存在著許多不同的方案,但其中有兩種共同的‘基礎’結構。其中之一見於三星的專利USP 7,130,214。三星大體上看來採用了一種平面PCM元件,置於第一個直徑的插栓(plug)和第二個直徑的接觸區(contact)之間,第二個直徑比第一個大。

英特爾和Ovonyx看來是採用另一種方式來實現PCM元件,即將其沈積於已蝕刻在一個或多個電介質層內的小孔中。這種PCM元件的形狀由小孔中形成的側壁間隙(sidewall spacer)決定。這種結構見於美國專利USP 7,183,567。在兩個例子中,兩個接觸區和PCM元件之間的不同接觸區域由於表面面積更小,使接觸區的電流密度更高,因而提高了電流密度,減少了加熱所需的電流。

在上述兩種基礎結構中,在減少電流方面存在一些差異。USP 7,130,214專利中,三星披露了一種施加電流的方法,即利用規定的電平和持續時間,提供更精細分散式晶核(nuclei)。據稱這種方法可減少所需的編程電流。三星已發表的美國專利20060152186闡釋了一種可以使電流方向與‘傳統’方向相反、讓電流從PCM元件流向更小直徑接觸區的方法。這將進一步集中電流,以減少編程所需的電流。不僅如此,USP 7,061,013專利中還披露了一種包含高阻抗和低阻抗PCM材料子層的PCM元件。

在電流減少問題方面,也必須探討英特爾/Ovonyx的兩項專利。Ovonyx的USP 7,049,623專利展示了一個相當有趣的單元結構(圖2)。

圖2:Ovonyx公司USP 7,049,623專利展示了一種減少PCM編程電流的單元結構。
圖2:Ovonyx公司USP 7,049,623專利展示了一種減少PCM編程電流的單元結構。

PCM元件18沿用常用的英特爾/Ovonyx結構,即PCM元件被沈積在具有側壁22的小孔46中。高阻抗和低阻抗接觸層分別為24和26。高阻抗層24作為加熱器,而低阻抗層26用以確保把電流平均分配給層24。此外,層24和26位於導電襯墊30和絕緣器28之上,填充和包圍著導體。這種在基板和層26之間形成接觸面的方法似乎十分獨特。

此項專利的核心申請範圍(Claim 1)陳述了針對層24和26的限制。意法半導體在2004年VLSI研討會上展示的8Mb 0.18微米製程以及新推出的128Mb元件中,均採用了類似的單元結構,該結構是由G. Casagrande等人發明,專利號為USP 6,972,430B2,由意法半導體和Ovonyx聯合擁有。這種單元結構據稱能夠提供更小的單元面積和更好的電流管理,可解決實現PCRAM的主要挑戰。

最後,英特爾的USP 7,029,978專利闡釋了一種細孔型結構。在這種結構中,PCM元件緊鄰一個電介質層沈積,該介質層又鄰近導體。據稱這一電介質可透過離子注入轟擊在特定區域擊穿。

這似乎是聚集流經小區域弱介質電流的一種好方法。在該專利第11項專利申請範圍(Claim 11)中,聲稱其記憶體在一對電極之間具有一個擊穿層,這種利用‘被離子注入轟擊的擊穿層來提高某個區域產生擊穿的可能性’,真是一個好主意!

另一個引起廣泛興趣的領域是使用加熱器來為PCM元件提供所需的熱量。三星和英特爾/Ovonyx都有專利闡釋這類結構。尤其是三星的USP 7,170,777專利,闡釋了一種與每個單位記憶單元相關的電阻式加熱器。這種結構沒有存取電晶體,加熱器有單獨的選擇電路。我們推測,這種結構的主要考量應該是便於密度提升的管理,同時,由於沒有存取電晶體,因此其整體尺寸取決於是否能驅動足夠電流來加熱PCM。雖然這項專利的優先權日期是2004年1月28日,但它似乎已對具有單獨選擇線路的加熱結構具有廣泛的專利權。

耐久性問題看來有點模糊,因為顯然很少有人談論它。如前所述,一個被隔離的PCM元件耐久性在理論上是無限的,因為它只是簡單地透過相變來循環。然而,研究人員指出,與這種過程相關的體積變化可能在PCM內產生應力和鄰近層。他們進一步表示,一種Ti/TiN(鈦/氧化鈦)黏接層結構可在熱循環下產生應力,以減輕與PCM相關的應力。

在USP 7,129,531專利中,Ovonyx闡釋了這樣一種氧化鈦黏接層結構,在這種結構中,鄰近PCM的層含有大量的鈦。說明文件中提到,鈦和PCM元件中的碲(tellurium)相互作用,可提高黏接支援度。透過PCM元件的體積變化,可以改善邊界層疲勞和分層的狀況。

未來,我們期待能率先預覽即將推出的相變記憶體產品,以測定採用的單位記憶單元結構,並在此一過程中確認將相變記憶體投入市場的方案。

作者:Paul Boldt

IPinsights分析師

Semiconductor Insights




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