Memorie non volatili a cambiamento di fase

Memorie non volatili a cambiamento di fase
di Pier Paolo Monticone

PCM: Phase Change Memory. Questi dispositivi di memoria sono realizzati sfruttando le particolari proprietà delle leghe calcogenure, formate da elementi del VI gruppo, detti calcogeni, assieme ad elementi del IV e V gruppo della tavola periodica. Tali materiali sono già stati utilizzati per realizzare dischi ottici a cambiamento di fase, quali CD e DVD riscrivibili. La loro peculiarità è quella di presentare una transizione tra due fasi, cristallina ed amorfa, aventi diverse caratteristiche elettriche, ottiche e termiche. In particolare, la fase cristallina è dotata di un basso valore di resistività, a differenza della fase amorfa la cui resistività elettrica è invece elevata. La possibilità di transire tra queste due fasi applicando opportuni impulsi elettrici agli elettrodi del dispositivo, unitamente ai diversi valori resistivi corrispondenti, consente così di immagazzinare il bit di informazione associando ad ogni fase del materiale un diverso stato logico della cella di memoria.
In figura è schematizzata la cella di memoria in corrispondenza dei due stati logici. Il materiale attivo è chiamato GST perché è appunto una lega di germanio (Ge) antimonio (SB) e titanio (Ti).

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Tuttavia, affinché tale memoria possa essere considerata non volatile, occorre che l'informazione contenuta nel dispositivo sotto forma di fase del materiale calcogenuro venga mantenuta per lungo tempo. Particolarmente critica è da considerarsi poi la fase amorfa che per sua natura è termodinamicamente instabile e tende inevitabilmente ad evolvere nello stato policristallino più stabile. La lettura della memoria elettronica può avvenire grazie al differente stato resistivo delle due fasi mediante una corrente di sonda, che sia sufficientemente ridotta da non mutare lo stato della memoria. Più critica è invece la programmazione della cella. Infatti il riscaldamento che permette il cambiamento di fase è dovuto all'effetto Joule, ottenuto facendo fluire una alta densità di corrente nella cella. La fase cristallina presenta una bassa resistività e, pertanto, risulta facilmente programmabile in quanto in grado di condurre bene la corrente e dunque di scaldarsi. Viceversa, essendo la fase amorfa molto resistiva, la corrente in grado di fluire risulta insufficiente per un adeguato riscaldamento. Il GST nella fase amorfa, però, ha un'ulteriore interessante proprietà: esso è infatti in grado di passare da uno stato di bassa conduzione ad uno stato ad alta conduzione, manifestando un fenomeno noto in letteratura come switching elettronico, che permette al materiale di scaldarsi e dunque di essere programmato. L’impulso di Reset quindi, per lascire uno stato amorfo, dopo avere fuso il materiale attivo deve annullarsi in poco tempo in modo da non dare tempo alle specie atomiche di riorganizzarsi in una struttura ordinata e quindi cristallina (in verità policristallina). L’impulso di Set al contrario deve avere un fronte di discesa abbastanza lungo così da permettere la formazione della fase cristallina. I due impulsi di programmazione sono schematicamente riportati in figura.

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Le peculiari caratteristiche delle leghe calcogenure rendono quindi le memorie PCM in grado di porsi in competizione con tecnologie già ben consolidate, come la FLASH e la DRAM, e in fase di studio come le FERAM e le MRAM. Nelle successive due tabelle vengono posti a confronto i parametri fondamentali delle varie tecnologie.

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Ad oggi le PCM sono in grado di soddisfare totalmente la specifica civile che prevede la ritenzione del dato per 10 anni ad una temperatura massima di 85°C, con una temperatura tollerata di funzionamento di 110°C, di poco inferiore alla specifica militare.

Pier Paolo Monticone - reipolaop @ inwind.it

Bibliografia
Eweek.com, Samsung.com, Ovonyx.com

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