新型存储技术－相变存储器
（三室主任：宋志棠）
相变存储器是一种新型的半导体存储技术，是加工到纳米尺寸的可逆相变材料，利用材料晶态时的低阻与非晶态时的高阻特性来实现存储的一种技术。由于低阻与高阻之间可以差6到7个数量级，在每个单元可以保持多个电阻状态，因此可实现多级存储功能。读、写、擦可通过电压或电流脉冲信号进行操作，存储数据的读出靠测量电阻的大小来决定，一般规定低阻为0，高阻为1，此时所加脉冲电压的强度很弱，产生的热能使相变材料的温度低于结晶温度，材料不发生相变。写入过程是加一个短而强的电压脉冲，电能转变成热能，使相变材料的温度升高到熔化温度以上，经快速冷却，可以使多晶的长程有序遭到破坏，从而实现由多晶向非晶的转化，低阻变为高阻；擦除过程是指施加一个长且强度中等的电压脉冲，相变材料的温度升高到结晶温度以上、但低于熔化温度，保持一定的时间（一般小于50纳秒），使相变材料由无定形转化为多晶，高阻变为低阻。读、写、擦的操作电压脉冲时间与强度都有一个最佳操作窗口。
存储器主要以速度、功耗、价格、循环寿命和非易失性等指标衡量其水平。已有的多种半导体存储技术虽然已经可以满足一系列的应用，但随着信息技术发展，对存储技术提出了更高的要求。如果有一种存储技术能与硅基半导体工艺兼容，具有DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、FLASH的数据非易失性、可靠性高、操作电压小、功耗将低是最理想的，而相变存储器是可以实现这一理想的存储技术。也正是3C融合和移动应用类产品所需要的。
DRAM和FLASH是现在市场上的主流产品。DRAM具有高容量低成本的特性，但DRAM是易失性存储器，在电源关闭后数据不能保存，另外 DRAM的特征尺寸正在接近极限，性能提高遇到很强的技术挑战。FLASH是一种非易失性的存储技术，具有成本低、密度大的特点。但是，FLASH的缺点是擦写时间长，功耗大，抗辐照能力差，循环寿命短，仅为106次；尺寸缩小成问题，最小只能做到45nm。而相变存储器靠电阻率变化的存储方式则有可能往更小尺寸的方向发展，克服其它存储技术所不能克服的极限、同时满足高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小和功耗低等五方面要求的器件：现在相变存储器数据读取速度可以与FLASH具有同等水平，擦写次数最高，为1013次以上；非破坏性读取数据；元件尺寸仅有MRAM或FeRAM的1/3，在集成度上有潜力；功耗方面，可在2.5V下工作，比其它技术更优异；更奇特的是相变存储器所用的材料非常少，存储密度高且制造简单，只需在现有的CMOS工艺上增加2－4次掩模工序就能制造出来，和现成的大规模集成电路工艺结合十分完美，成本低。另外，相变存储器具有抗辐照（抗总剂量的能力大于1Mrad）、耐高低温（－55~125℃）、抗强振动、抗电子干扰等性能, 因此在航空航天有重要的应用前景。相变存储器多级存储是英特尔公司发现摩尔定理的老摩尔的梦想, 更是有别于其它存储技术。自2003年起，国际半导体工业协会一直认为相变存储器最有可能取代目前的SRAM、DRAM和FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的下一代半导体存储器件。
按照摩尔定律的发展规律，存储器由微电子向纳电子器件发展是必然的趋势。要实现相变存储器与商用化存储器相比体现出优越性和竞争性, 就必须做成纳电子器件。由于相变存储器对工艺要求很高，目前国际上从事相变存储器研发的主要机构以英特尔、三星、意法半导体、日立等大公司为主，并且在最近两年内取得了非常大的突破，如三星公司于2004年初成功制备出了64MB的测试样片。
相变存储器将不仅像FLASH和DRAM一样广泛应用于移动电话、数码相机、MP3播放器、工业设备、移动存储卡以及其它手持设备等民用微电子领域，而且在航空航天、导弹系统等军用领域具有重要的应用前景。另外，相变存储器今后的典型应用将深入到各个领域，其中包括网络路由器、枢纽通信器、扫描仪、各种终端、打印机和类似GPS系统那样的汽车导航系统，此外还有大量的潜在应用领域。根据EMC公司调查，2001年的全球半导体存储市场需求已达440亿美元，而到2005年，这一数字将达到1000亿美元。中国市场是一个庞大的半导体存储器消费市场。市场调研结果表明，受家用电脑及多功能移动电话、数码相机、智能卡等数字消费市场高速增长带来的影响，到2007年，我国半导体存储器市场规模将达到731亿元。
