Phase Change Random Access Memory
Phase Change RAM (Abk.: PCRAM oder PRAM, in einer speziellen Ausführung auch 'Ovonics Unified Memory'/ OUM oder 'chalcogenide RAM / C-RAM) ist ein neuartiger nichtvolatiler Speicher in der Elektronik. Das Wirkprinzip des Speichers ist die Änderung des elektrischen Widerstandes des Speichermaterials in Abhängigkeit davon, ob es in amorpher (hoher Widerstand / RESET state) oder in kristalliner (niedriger Widerstand / SET state) Phase vorliegt. Das benutze Material ist dabei eine Chalkogenid-Legierung (Chalkogen-Verbindung) - ähnlich dem Material, das ebenfalls unter Ausnutzung von Phasenwechsel bei einer CD-RW bzw. DVD-RAM für die Datenspeicherung sorgt. Die dabei genutzten Materialkombinationen bestehen z.B. aus Germanium, Antimon und Tellur (häufig Legierungen aus den beiden Verbindungen GeTe und Sb2Te3).
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Aufbau und Funktion
Der prinzipielle Aufbau einer PCRAM Speicherzelle ähnelt zunächst einem DRAM: sie besteht aus einem Auswahltransistor und dem resisitiven Phase-Change-Element, in dem die Informationsspeicherung stattfindet. Eine Vielzahl von Speicherzellen sind - wie beim DRAM - in einer Matrix angeordnet.
Das resistive Speicherelement besteht aus einer metallischen Top-Elektrode, einer metallischen Bottom-Elektrode und dazwischen dem Phasenwechselmaterial.
Der Wechsel in den RESET state erfolgt durch eine Amorphisierung eines Teils des Phasenwechselmaterials. Dazu wird das Material durch einen Strompuls höherer Strömestärke ( mehrere hundert Mikroampere) geringerer Dauer (z.B. 50 Nanosekunden) aufgeheizt. Nach dem Ende des Pulses wird sich das Material sehr schnell abkühlen - so schnell, dass es in amorphen Zustand verbleibt und nicht kristallisiert. Um diesen Strompuls effektiv zu generieren kann eine Nichtlinearität in der Strom-Spannungskurve von amorphen Chalkogeniden genutzt werden: an sich ist dieser Zustand durch einen hohen Widerstand geprägt. Übersteigt die angelegte Spannung jedoch eine Schwellspannung, so wird das Material wieder gut leitend ('dynamic on state').
Der Wechsel zurück in den kristallinen SET state wird durch einen längeren Strompuls (z.B. 100 Nanosekunden) geringerer Stromstärke (meherer zehn bis wenige hundert Mikroampere) bewirkt. Dadurch wird das amorphe Material über die Kristallisationstemperatur (siehe Glas) erhitzt und so lange auf dieser Temperatur gehalten, daß Keimbildung einsetzt und Kristallisation stattfindet.
Zum Auslesen der Information wird über dem resistiven Element eine Spannung angelegt, die eine so geringe Stromstärke bewirkt, dass die Temperatur im Material nicht die für einen Phasenwechsel notwendige Höhe erreicht. Je nach Zustand fließt dabei ein anderer Strom, was zum Auslesen genutzt wird.
Geschichte
Schon in den 1920er Jahren wird die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit durch eine Strukturänderung an einem Chalkogenid (MoS2) entdeckt (Waterman 1923 [[1]]). In den 1950er Jahren erforschte man die halbleitenden Eigenschaften kristalliner und amorpher Chalkogenide. Reversibel phasenwechselnde Materialien wurden mit ihren elektrischen und dann auch optischen Eigenschaften in den 1960er Jahren untersucht (Ovshinsky 1968 [[2]]). Zu der Zeit wurde auch bereits die Konstruktion eines nichtvolatilen Speichers für Elektronikanwendungen auf der Basis dieses Prinzips vorgeschlagen.
Dann wurde die Phase-Change-Technologie jedoch zunächst in Bezug auf ihre optischen Anwendung weiterentwickelt und kommerziell nutzbar gemacht: für wiederbeschreibbare CDs (erstes Produkt 1990, Matsushita) und DVDs. Erst als im Zuge dieser Entwicklungen Materialien entdeckt wurden, die bezüglich Schreibzeiten und -ströme in interessante Regionen kamen, bekam auch die Phase-Change-RAM-Entwicklung Fahrt.
Anwendungsmöglichkeiten
Die Widerstandsänderung zwischen beiden Phasen umfasst etwa vier Größenordnungen - dass erlaubt hohe sensing margins. Da der Phasenwechsel sehr schnell und (mehr oder weniger) beliebig wiederholbar ist, eignet sich das Speicherprinzip für einen Random Access Memory - das heißt als möglicher Ersatz für DRAM und SRAM - und ist zudem nichtvolatil, da beide Phasen (amorph und kristallin) stabil sind. Da das Speicherelement bezüglich des vertikalen Aufbaus im Bereich der Metallisierungsebenen ('BEOL - Backend of Line') plaziert wird und die Materialien und Prozesse weitgehend in eine CMOS-Fertigung integrierbar sind, eignet sich der Phase-Change-Speicher nicht nur für die Fertigung von Speicherbausteinen, sondern auch für 'embedded memory' - Speicher, der auf demselben Siliziumstück realisiert wird, wie die Logische Schaltung, die den Baustein hauptsächlich ausmacht.
Derzeit befinden sich bei einigen Halbleiterunternehmen Teststrukturen und Prototypen für Speicherbausteine in der Entwicklung.
Entwicklungsstand
Im Vergleich zu anderen neuartigen nonvolatilen Speichern in der Entwicklung zeigt das PCRAM ähnliche Erwartungswerte in Bezug auf Performance, Langzeithaltbarkeit und Skalierbarkeit. Die Herausforderung bei diesem Speicherprinzip ist durch den hohen Schreibstrom (RESET state) gegeben: herkömmliche MOS-Transistoren in fertigungsrelevanten Kanallängen (<100nm für Auswahltransistoren) erlauben nicht wesentlich mehr als wenige hundert Mikroampere zu treiben. Daher wird auf verschiedenen Wegen an der Reduktion des Schreibstroms gearbeitet:
- Phasenwechselmaterial und dessen Dotierung: durch die genaue Zusammensetzung des Materials und durch Einbringung von Fremdstoffen - z.B. Stickstoff oder Zinn - kann der elektrische Widerstand des Materials erhöht werden.
- Größe und Form der Bottom-Elektrode: nur Material in der direkten Nachbarschaft der Bottom-Elektrode wird phasengewechselt; daher determiniert die Bottom-Elektrode die Menge des phasenwechselnden Materials und damit den zur Erhitzung notwendigen Strom. Zum einen werden Elektroden publiziert, die das Material nur punktuell seitlich berühren, um möglichst wenig aufzuschmelzendes Material zu haben. Zum anderen wird das Phasenwechselmaterial in sogenannten sub-resolution-vias abgeschieden (Öffnungen in der Isolationsschicht, die so klein sind, dass sie durch die fotolithographische Auflösung nicht mehr definiert werden können, sondern z.B. durch reflow oder etch-back-Techniken weiter verkleinert werden müssen).
- Thermische Isolation des Speicherelements: ist das Material von dicken Metallelektroden und thermische schlecht isolierendem Material umgeben, so fließt einiges der zur Aufschmelzung des Materials erzeugtes Wärmeenergie ab, ohne die gewünschte Wirkung zu entfalten.
- Verwendung von Bipolartransistoren: wenige Unternehmen weichen dem Problem aus, indem sie diese leistungsfähigere Transistortechnologie für den Auswahltransistor verwenden. Für die meisten Phase-Change-Memory-Anwendungen wäre das jedoch aufgrund der erheblichen Mehrkosten uninteressant.
Ansätze zur Multilevel-Speicherung wurden bereits vorgeschlagen:
- Variation des Umwandlungsvolumens mittels Variation der Programmierpulse: verschieden hohe Programmierstromstärken setzen je nach Puls mehr oder weniger Material der Phasenumwandlung aus. Dadurch lassen sich mehr als zwei voneinander unterscheidbare Widerstandszustände festhalten - wenngleich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes die sensing marge dann deutlich verengt.
- Kristallgitterabhängiger Widerstand: je nach der Dotierung des Materials, kann es auch in verschiedenen kristallinen Strukturen (hexagonal und FCC / face centered cubic) - je nach Temperatur in der Kristallisationsphase - vorliegen. Die beiden Kristallgitter sind wiederum über ihrern elektrischen Widerstand unterschieden - allerdings nur noch um eine Größenordnung.
Kategorie:Speichermedium