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 nicht flüchtiger 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 benutzte 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).

Aufbau und Funktion

Schmatischer Querschnitt durch eine PCRAM-Zelle

Der prinzipielle Aufbau einer PCRAM Speicherzelle ähnelt zunächst einem DRAM: sie besteht aus einem Auswahltransistor und dem resistiven 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 Stromstärke (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 im 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 (mehrere 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 wurde 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 -strömen in interessante Regionen kamen, bekam auch die Phase-Change-RAM-Entwicklung Fahrt.

Anfang 2006 stellt Samsung als Speicherchip-Weltmarktführer einen 256 Megabit-Prototyp und Mitte 2006 einen 512-Megabit-Prototyp als Ersatz für Flash Chips vor. Die Serienfertigung wird für das Jahr 2008 angekündigt.

Auf dem Intel Developer Forum 2007 in Peking kündigte Intel noch für die zweite Hälfte des Jahres 2007 ein eigenes PRAM unter dem Codenamen Alderstone an, der mit sogenannter „ovonischer“ Technik – abgeleitet vom Entdecker von phasenumwandlungs Materialien Stanford Ovshinsky – arbeitet. Die ersten versprochenen Chips haben mit 128 Megabit allerdings deutlich kleinere Kapazitäten als NOR- und NAND-Bausteine.

Anwendungsmöglichkeiten

Die Widerstandsänderung zwischen beiden Phasen umfasst etwa vier Größenordnungen – das 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 im besonderen, da es zudem nichtvolatil ist, beide Phasen (amorph und kristallin) sind stabil, auch als Alternative zu Flash-Speicher. Da das Speicherelement bezüglich des vertikalen Aufbaus im Bereich der Metallisierungsebenen ("BEOL – Back-end of Line") platziert 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 (<100 nm 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 thermisch schlecht isolierendem Material umgeben, so fließt ein Teil der zur Aufschmelzung des Materials erzeugten 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 Multi-Level-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 margin 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.