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相变存储器（PCM）技术基础 相变存储器（PCM）技术基础 类别：存储器 相变存储器技术基础相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。发展历史与背景二十世纪五十年代至六十年代，Dr.Stanford 1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年，他与他的妻子Dr.Iris Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。近30年后，能量转换装置（ECD）公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。2000年12月，STMicroelectronics（ST）也与Ovonyx开始合作。至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。今天，大部分DVD-RAM都是使用与Numonyx相变存储器使用的相同的材料。工作原理相变硫属化物在由无定形相转向结晶相时会表现出可逆的相变现象。如图1，在无定形相，材料是高度无序的状态，不存在结晶体的网格结构。在此种状态下，材料具有高阻抗和高反射率。相反地，在结晶相，材料具有规律的晶体结构，具有低阻抗和低反射率。图1 来源：Intel，Ovonyx 相变存储器利用的是两相间的阻抗差。由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变后的材料性质由注入的电流、电压及操作时间决定。基本相变存储器存储原理如图2所示。图2 相变存储原理示例如图所示，一层硫属化物夹在顶端电极与底端电极之间。底端电极延伸出的加热电阻接触硫属化物层。电流注入加热电阻与硫属化物层的连接点后产生的焦耳热引起相变。右图为此构想的实际操作，在晶体结构硫属化物层中产生了无定形相的区域。由于反射率的差异，无定形相区域呈现如蘑菇菌盖的形状。相变存储器的特性与功能相变存储器兼有NOR-type flash、memory EEPROM相关的属性。这些属性如图3的表格。图3 相变存储器的
相变存储器 链接：https://www.doczj.com/doc/e49600449.html,/baike/2348.html 相变存储器 概述 相变存储器（phase change memory）,简称PCM，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。 初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生.其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态.例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相)，液态水（液相）以及固态水（固相）。物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’例如水从液态转化为固态。 在很多物质中相变不是大家想象的只有气，液，固，三相那么简单。例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。所以我们称之为相变存储器。 相变存储器技术基础 相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体 、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。 相变存储器工作原理 在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后，我们一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度，然后突然对GST淬火将其冷却。冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。 在晶态下，GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后，我们一般称其为SET状态，在SET操作中，材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度，然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态；因此，当对非晶态下的材料加热，温度接近结晶温度时，它就会自然地转变为晶态。 发展历史与背景 二十世纪五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。无定形物质是一类没有表现出 确定、有序的结晶结构的物质。1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年，他与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置（ECD）公司，发布了他们与Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。 近30年后，能量转换装置（ECD）公司与MicronTechnology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。2000年12月，STMicroelectron ics（ST）也与Ovonyx开始合作。至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。 在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。今天，大部分DVD-RAM都是使用与Numonyx相变存储器使用的相同的材料。 原文地址：https://www.doczj.com/doc/e49600449.html,/baike/2348.html 页面 1 / 1
相变存储器的浅谈论文 非易失性存储器(non—volatile memory,NVM)在信息技术中扮演着重要的角色。传统非易失性存储器主要包括EPROM(可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、Flash(闪存)等。在当前市场中,Flash存储器渐渐占据了统治地位。但是,flash 存储器也存在着一些问题.其在读写过程中的高能热电子可能会引起存储器本身的损坏,影响器件可靠性;同时,Flash存储器在对某一位数据进行擦除时,需要将整个数据块的数据擦除,这大大影响了存储器的速度。随着技术的进步,铁电存储器、磁存储器等也开始崭露头脚,目前最引人瞩目的当属相变存储器了。 相是理化上的一个概念,它表示某种物质化学性质没有变化,但是其物理状态已经改变,如水在物理上有气相、液相、固相的状态。而相变就是当外部环境变化时从一种相到另外一种相的过程。相变导致很多物理性质的改变,如光的折射率、电阻率等等。如果想利用物质的相变存储信息,就必须保证相的状态是稳定的。目前相变存储器就是利用硫族化合物晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储数据。 相变存储器的数据的写入和读取分为三个过程,分别是“Set”、“Reset”和“Read”。
“Reset”是逻辑复位“0”:瞬间施加一个窄而强的电流,大约10ns。而后快速的冷却,让相变材料从晶体变为非晶体,电阻率提高两个数量级以上。呈高阻态。逻辑为“0”。 “Set”是设置逻辑“1”:施加宽而弱的电流,大约几十ns。让相变材料渐渐结晶。降低电阻率,实现设置逻辑“1”。 “Read”是读取过程:在两端施加足够低的电压以测量。如果得到较小的电流说明呈高阻态,即逻辑“0”,如果电流较大,即是“1”。由于两端的功率很小,因此不会改变存储的数据。是非破坏读取。 (一)优点 1.高读写速度。相变材料结晶速度一般在50ns以下,写入速度快。与一般NAND和NOR(两种目前流行的非易失性闪存)有所不同的是,PCM写入新数据时不用执行擦除过程。这意味着PCM就可以从存储器直接执行代码,不需要将代码读入RAM执行,而NAND和NOR则无法直接读取并运行代码。 2.寿命长,存储稳定。PCM是以物质的不同相作为存储信息的方式,因此只要不超过晶化温度,一般来说不会丢失数据。由于它存储数据不牵扯电子转移等问题,它能执行的稳定读写次数可达1012~1015,
相变存储器器件结构及工艺研究 相变存储器(PCM)由于具有非易失性、高存储密度、低功耗,高可靠性等诸多优点,被国际半导体工业协会认为是最有可能取代闪存和动态随机存储器(DRAM)成为下一代半导体存储器主流产品之一。相变存储器从上世纪六十年代提出,到现在己超过半个世纪的时间,随着 半导体工艺技术的发展相变存储器终于由概念变成了现实,2011年三星公司将相变存储芯片应用于该公司的一款手机中,完成了相变存储器从实验室到生产线的转变。但相变存储器还未在市场上大批量销售,且相变存储器的性能依然有巨大的提升空间,如擦写速度、热串扰等。新型相变材料的研发和器件结构及工艺的改进是其性能提升三种方式,本文研究了相变存储器单元制备工艺和芯片的后集成工艺;提出 了改善其热串扰的新型器件结构以及提升相变存储器电热转化效率 的非对称结构;设计了一种不受限于光刻精度的相变存储器工艺流程,上述研究为我国实用化相变存储器芯片的研究和开发奠定了基础。本文首先从相变存储器的基本结构即T型结构出发对相变存储器进行 了研究,设计了相变存储单元的掩膜版,制备了八个独立相变存储单元,确定了相变存储单元工艺流程及工艺参数,并对其性能进行测试,单元写速度最快可达5 ns。然后将相变存储器的单元工艺应用于相变存储器芯片的制备工艺之中,分别完成了 256 bit和1 Mb相变存储器芯片的后集成工艺,经过测试,芯片外围电路和存储单元均导通,且可反复擦写。建立了相变存储器的有限元模型,利用ANSYS软件完成了相变存储器的有限元模拟,提出了一种改进相变存储器热串扰的
单元结构,即双层电极和工字型结构,显著地降低了临近单元的热串扰。提出了一种可提升电热转化效率的新型非对称结构。设计了基于角度蒸发的相变存储器制备工艺流程,采用此工艺可制备特征尺寸不受限于光刻精度的相变存储器,在微米尺度的工艺环境中制备了特征尺寸为100 nmX 80 nm的线型相变存储单元,新工艺方法制备的相变存储器特征尺寸更小,擦写速度更快,且极大降低了相变存储器的制备成本,且新工艺流程制备的相变存储器单元与传统线型相变存储器相比在热串扰上有着显著优势。
相变存储器材料研究 1相变存储器介绍 相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。相变存储器有高读写速度、寿命长，存储稳定,、工艺简单，潜力大，所以相变存储器被认为最有可能取代当今主流存储器而成为未来存储器的主流产品。 2相变存储器原理及设备 相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程—分别是“设置（Set）”、“重置（Reset）”和“读取（Read）”。“Set”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上,使其温度升高到晶化温度Tx 以上、熔点温度Tm以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。“Reset”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度Tm以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞ 109K/s）,相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。“Read”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1”。图1是相变存储器的工作原理。 图1 相变存储器的工作原理
3GST材料相变机理 作为相变存储器的存储介质, 相变材料性能的优劣直接关系到器件性能。相变存储器中最为核心的是以硫系化合物为基础的相变材料。其中Ge2Sb2Te5(GST) 相变材料是到目前为止使用和研究最广泛的相变材料, 并已经实现了产品应用。虽然工业界已经将GST作为相变存储器的存储介质实现了产品和应用, 但是对于GST 为何在纳秒甚至皮秒量级的时间内实现非晶态和晶态的可逆相变仍然未有统一的 结论。 主要原因是非晶态GST中原子排列是无序的,传统晶体学的理论和结构研究方 法已不适用,因而对GST的非晶态很难获得一个清晰的认识, 更不能得到可逆相变过程中微观结构的变化。为了揭示GST等相变材料的相变机理, 近年来世界各地的科学家结合先进的高分辨电子显微分析表征手段和理论模拟计算进行了大量深入 的研究, 提出了一系列相变机理及理论模型, 其中著名的理论有Ge原子伞状跳跃理论、多元环理论、共振键理论等。 (1)Ge原子伞状跳跃理论。原子伞状跳跃理论是Kolobov等人通过对GST材料的扩展X射线吸收精细结构谱的实验结果进行分析总结出来的, 是相对较早的一种针对GST材料快速相变机理的解释。。通过对EXAFS实验结果的研究, 发现在GST晶体结构中, Ge原子处于以Te原子构成的八面体的中心位置, 其与Te原子相连接的6个键分为3个强键和3个弱键, 在非晶化过程中, 弱键更容易被打断, 同时在强键的拉动作用下, Ge原子进入以Te原子构成的四面体中心位置。 Ge原子伞状跳跃理论认为GST材料的无序化过程不需要经历熔化-淬火过程, 只是通过Ge 原子在八面体结构和四面体结构间的来回跳跃, 就可以实现,非晶化和晶化的可逆相变过程, 原子伞状跳跃理论较好地解释了GST材料的快速相变和低功耗特性。 (2)共振键理论。 Lencer等人、Anbarasu等人和Shportko等人为了解释相变材料在相变前后的巨大差异,提出了一种共振键理论。他们通过测量非相变材料AgInTe2和相变材料Ge1Sb2Te4的红外反射谱, 发现非相变材料AgInTe2在结晶前后的红外反射谱几乎相同,而晶态Ge1Sb2Te4的红外反射谱在反射强度、极值以及极值间隔等都比非晶态的小。在测量介电常数后发现相变材料结晶后光学介电常数降低了50%–70%, 表明相变材料在结晶前后原子极化形式发生了很大变化。这种 差异是由于非晶态和晶态相变材料中原子的不同成键形式导致的,非晶态中各原子以共价键的形式结合,电子局域化程度高,结合力强；晶态中各原子以共振键的形式结合,单一、半满的p轨道电子同时在左右两侧形成两个不饱和共振键。正是由于相变材料在非晶态和晶态时成键形式的不同, 使相变材料在相变前后的介电常数 变化很大, 从而导致其在相变前后性能发生巨大变化。 (3)多元环理论。原子伞状跳跃理论是基于X射线精细结构谱的实验结果得到的, 从微观上阐明GST材料在相变过程中不发生大规模的原子迁移,只发生部分原子的局部移动。2006年,Kohara等人结合逆蒙特卡洛分析和高能同步辐射X射线衍射实验结果在更大尺度上提出了多元环理论。非晶态GST材料中存在许多偶元环,在结晶过程中,通过原子的小范围调整,含较多原子的偶元环(8元环、10元环)通过原子成键变成4元环和6元环,形成晶态GST。但是对于GeTe材料, 由于Ge—Ge同质 键的存在,其非晶态中除了偶元环外还有很多奇元环。GeTe晶态主要由4元环构成,没有空位, GeTe的结晶过程除了原子位置的调整,还需要大量的断键过程。多元环理论很好地解释了GST在快速相变过程中空位所起的作用以及GeTe比GST相变速度慢的原因。
1.相变及相变存储的原理： 物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。 相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.) 2.相变存储器的工作原理和特点： 相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，主要指基于硫系化合物薄膜的随机存储器，利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。(Wuttig M, Raoux S. The science and technology of phase change materials. 10 DEC 2012, 15: 2455–2465.)因为不同相态下物质所含能量不同，所以从亚稳态的非晶态到稳定状态的晶态的转变是通过在其结晶温度以上对其加热足够长时间使其充分结晶而得到；相反的过程即将晶态结构加热至熔化并使其快速冷却，历经一个快速退火过程凝结而得到。写入（RESET）过程指给相变材料加一个时间短而强的电压脉冲，电能转变成热能，使温度升高到材料熔点之上，经历一个快速的热量释放过程，材料的晶相（有序）遭到破坏，由多晶直接进入非晶相；擦除（SET）过程则指给相变材料加一个时间较长、强度中等的电压脉冲，逐渐被加热，相变材料的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并维持一定时间，使相变材料由无定形转化为多晶相；数据读取（READ）是在不激发相变的条件下通过测量相变材料的电阻值来实现的，如下图(b)。(Wong H.-S.P, Raoux S, Kim S , Liang J L, Reifenberg J P, Pajendran B, Asheghi M, Goodson K E. Phase Chage Memory. Proseeding of IEEE, 2010, 12:2201-2227.) 晶态非晶态
新型相变型存储器研究进展 李娟1，王嘉赋1, 2 1武汉理工大学理学院物理科学与技术系，湖北武汉 (430070) 2 材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 (430070) E-mail：wuhan0602@https://www.doczj.com/doc/e49600449.html, 摘要：文章系统地介绍了新型相变存储器的原理及特点、相变材料、写电流、器件稳定性和读取速度等关键性能因素以及器件结构设计和热场分布等。CRAM的发展空间十分广阔，十分有希望成为最具有市场竞争力的新型存储器之一。 关键词：相变材料；写电流；稳定性；结构设计；热场分布 1. 引言 相变型半导体存储器指硫系化合物随机存储器(Chalcogenide Random Access Memory)，简称CRAM，又被称作奥弗辛斯基电效应统一存储器，是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电效应的存储器。 CRAM所采用的存储技术是一种新型的非易失性半导体存储技术，即利用相变层发生相变前后阻值的差异来对数据进行存储[1]。它利用具有可逆结构的硫族化合物作为相变物质，利用热能所激发的相变物质所发生的快速可逆相变来存储数据[2]。 通入写电流后，由于电阻加热器的加热作用，相变层的温度迅速升高，当达到相变薄膜的熔点时，部分材料熔化，失去了晶体状态，这时快速冷却，从而将其锁定在非晶态，非晶态在接近室温时非常稳定，但是当接近融化温度时，它的晶核形成和微晶生长的速度成指数增长。为了在冷却的时候，不使材料重新结晶，冷却的速度要比晶核形成和生长的速度更快。为了使存储元件重新回到可导状态，材料要被加热到结晶温度和熔化温度之间，使晶核和微晶生长在几个纳秒内快速发生[3]，从而使材料转变为晶态。相变前后材料的阻值差可达到4-6个量级。 与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储，制作工艺简单等优点[4-10]。此外它的最大优势在于：该存储技术与材料带电粒子的状态无关，从而具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。 2. CRAM的关键性能因素 目前关于CRAM的可行性集中在以下几点：相变材料的改进，功耗的降低，写速度的加快，以及可靠性与抗干扰特性。 2.1 相变材料的改进 CRAM利用具有可逆相变性质的硫系化合物做为相变层。GeSbTe系合金则是大家公认的、研究最多的、最为成熟的相变材料。GeSb4Te7、GeSb2Te4和Ge2Sb2Te5是目前GeSbTe 系最常用的三个化学计量比的三元合金[11]。 目前对Ge2Sb2Te5（简称GST）相变材料的研究已经有20多年的时间,其基本性能已被掌握,并且Ge2Sb2Te5在1996年之前就已被成功地应用于可擦重写相变光盘中[12]，而对它的研究却仍在进行，目前大多集中于对它的掺杂改性。 研究发现向材料中掺入适量的N，有助于实现Ge2Sb2Te5的多值存储[13-14]。