相变存储器的基础理论

相变存储的原理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。

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。

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。

相变存储器：基本原理与测量技术相变存储器(可缩略表示为PCM、PRAM或PCRAM)是一种新兴的非易失性计算机存储器技术。

它可能在将来代替闪存，因为它不仅比闪存速度快得多，更容易缩小到较小尺寸，而且复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写次数。

本文将为您介绍相变存储器的基本原理及其最新的测试技术。

 何为PCM，它是如何工作的? PCM存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态(电阻低)快速转变为无序的非晶态(电阻高得多)。

同样的材料还广泛用于各种可擦写光学介质的活性涂层，例如CD和DVD。

从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的(或者一种稍慢的称为再结晶的过程)。

最有应用前景的一种PCM材料是GST(锗、锑和碲)，其熔点范围为500º–600ºC。

 这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。

高电阻的非晶态用于表示二进制0;低电阻的晶态表示1。

最新的PCM设计与材料能够实现多种不同的值[1]，例如，具有16种晶态，而不仅仅是两种状态，每种状态都具有不同的电气特性。

这使得单个存储单元能够表示多个比特，从而大大提高了存储密度，这是目前闪存无法实现的。

 非晶态与晶态 简单介绍非晶态与晶态之间的差异有助于我们搞清楚PCM器件的工作原理。

 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。

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。

相变材料制作的相变内存无论是在专利布局、芯片试产及学术论文上开始有优异的表现，已开始商业应用，其cell size于201 1年将小于NOR Flash，未来可望大规模取代NOR Flash市场。

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

Int el于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPRO M和EEPROM一统天下的局面。

紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。

但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。

相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。

许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。

而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

N OR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

相变存储器的原理和发展相变存储器，作为一种新型存储器，正在逐渐成为人们关注的热门话题。

相比于传统的存储器技术，相变存储器由于具有高密度、高可靠性、低功耗等特点，正在逐渐走向成熟。

在这篇文章中，我们将会探讨相变存储器的原理和发展。

一、相变存储器的原理相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是一种通过将物质的状态从一个相转变到另一个相来实现存储和擦除信息的存储器。

它具有非易失性、快速读写、高密度、低功耗等优点，而且不会受到电磁干扰的影响。

相变存储器的基本原理是利用材料的相变来存储信息。

在相变存储器中，通过在材料中通入电流，可以将材料由非晶态（amorphous）转变为结晶态（crystalline），或者由结晶态转变为非晶态，从而实现信息的存储和擦除。

相变存储器由一个导电介质薄膜和一层相变材料薄膜组成。

当通入电流时，相变薄膜的温度会上升，从而引起相变。

相变后，材料的导电性和抗电性会发生明显变化，这种变化被采集和存储在导电介质薄膜中。

从而实现了信息的存储。

相变存储器的最大特点是它可以在非常短的时间内进行快速的写和读操作。

相变薄膜的相变速度很快，写入时间只需要几十纳秒，读取时间也只需要几纳秒。

同时，相变存储器还具有非常高的可靠性，因为相变材料可以进行无限次的相变。

二、相变存储器的发展相变存储器的历史可以追溯到上世纪60年代，但要真正进入实用化的阶段还有很长的路要走。

在过去的几十年中，相变存储器的研究一直处于实验室阶段。

直到近年来，随着存储技术的进一步发展，相变存储器才开始逐渐受到人们的关注。

在过去的几年中，相变存储器已经从实验室阶段进入了产品研发阶段。

英特尔公司已经推出了一款基于相变存储器的高速固态硬盘（SSD），号称可以提供比传统硬盘更快的读写速度和更高的可靠性。

同时，三星、东芝、半导体制造商Micron等公司也在积极推进相变存储器技术的研发。

相比于传统的NAND闪存存储器，相变存储器具有更高的存储密度和更快的访问速度。

电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现近年来，随着存储器技术的不断发展，相变存储器作为一种新型的非易失性存储器，受到了广泛的关注和研究。

相变存储器具备高密度、高速度、低功耗和长寿命等特点，因此在智能手机、计算机等电子产品中有着广泛的应用前景。

而电子级单晶硅片作为相变存储器的芯片载体，对于相变存储器的研究和实现起着至关重要的作用。

本文将深入研究电子级单晶硅片的相变存储器，并探讨其研究与实现的方法与技术。

首先，我们需要了解相变存储器的基本原理。

相变存储器是利用了各向同性相变材料的特性，通过在电流的作用下使相变材料发生相变的属性，来实现存储信息的目的。

而电子级单晶硅片作为相变存储器的基底材料，其优良的热稳定性和电性能使之成为相变存储器的理想载体。

在研究与实现电子级单晶硅片的相变存储器时，首先需要选择合适的相变材料，并制备出单晶硅片。

常用的相变材料有锗锑碲（GST）和锗碲锡（GTS），其热稳定性高、相变速度快的特点使其成为相变存储器的首选。

其次，我们需要对电子级单晶硅片进行制备和加工。

电子级单晶硅片具有较高的纯度和均匀性，可以提供一个良好的基底环境，确保相变存储器的性能和稳定性。

制备电子级单晶硅片的基本工艺包括单晶硅的种植和拉晶、单晶硅片的切割、晶圆的抛光和清洗等步骤。

当制备好电子级单晶硅片后，可以使用光刻技术在单晶硅片表面形成电极和电路结构，为相变存储器的实现奠定基础。

然后，我们需要进行相变存储器的设计和优化。

相变存储器的设计需要考虑到存储容量、数据保持时间、读写速度和功耗等多个方面的要求。

通过优化电极和相变材料的结构，可以提高相变存储器的读写速度和存储容量。

同时，优化电流脉冲的形状和功耗控制策略，可以降低功耗并提高数据保持时间。

此外，还可以通过多层次和交叉叠层的结构设计，提高存储密度和可靠性。

最后，我们需要对电子级单晶硅片的相变存储器进行实现和测试。

实现相变存储器的关键技术之一是相变材料的热控制和相变状态的检测。