相变存储器

经典的蘑菇型结构 边缘接触结构
2.b
经典的蘑菇型结构
相变存储器结构
2.b
经典的蘑菇型结构
相变存储器结构
相变存储器单元的基本结 构是上、下电极中间夹一 薄层相变材料，像一个微 小的电容器。
硫系化合物与电极之间的 接触面积小，周围为绝热 材料所包围。接触处的热 量集中，可以在较小的电 压或电流下使硫系化合物 发生相变，降低器件的功 耗。
● 2007年，ST与Intel宣布成立一个新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx；
2014年3月6日，以 “全芯科技，全新启 航”为主题的“宁波• 时代全芯PCM芯片建 设项目奠基仪式”在 宁波鄞州工业园区隆 重举行。
相变存储技术在中国的首个产业化应用项目
此次奠基的是“全芯科技”的一期项目，总投资1.5 亿美元，预计明年产品下线生产，可达到年产10万 片相变存储器。宁波时代全芯力争5年内启动二期 项目，完成总投资达到20亿美元以上 。依托鄞州政 府的支持，将宁波鄞州打造成“中国芯片之城”。
Ge2Sb2Te5薄膜相变过程中存在两个阶段：非晶态到面心 立方（FCC）的转变，和FCC到六方密堆积结构（HCP） 的转变。它在非晶态，FCC和HCP结构中分别表现出半导 体，半金属和金属特性，即Ge2Sb2Te5薄膜可以实现多值 存储。
对相变材料来说，在材料的R-T曲线上应该存在明显的阶梯， 而且每一阶的电阻值在一个较宽的温度范围内可以几乎保 持稳定，那么多值存储便可以实现。
相变存储（PRAM）由于具有能耗低、读写速度快 及存储密度高等优点，被认为是最有希望替代闪存 的下一代非挥发性存储技术，近些年已经成为国际 上关注的热点。
一个PRAM存储单元和它的存储原理
可见焦耳热控制着整个相变存储过程。只有有效 的限制热在材料内部的扩散，既实现在局部最小 面积上快速加热，又避免热对相邻存储单元的交 叉影响，才能获得耗能更低、体积更小的PRAM 设备。因此，相变材料的热传导性能研究PRAM 结构优化的最关键因素，并决定着PRAM能否早 日进入实际应用。
2.a
相变与存储：
工作原理
晶态(低阻)和非晶态(高阻)，分别对应 着逻辑数值“1”和“0”，利用电脉冲可以使 材料在晶态与非晶态之间相互转换实现信息 的写入与擦除，然后通过流经器件电流的大 小来识别数据存储状态。
2.a
相变与存储 ：
工作原理
晶态 非晶态
无序 有序
低阻值 高阻值
半金属特性 半导体特性
2.b
读写速度：
相变存储器基本性能
由于相变材料的set过程比reset过程长，所以决定相变 存储器写速度的是set所需的时间，也可以理解为是GST的 结晶速度很大程度上决定了CRAM的写速度。在GST中掺 入适量的Sn可以增大写速度，同时由于掺入Sn减小了GST 的阻抗，所以也加快了读取数据的速度。
总之，Ge2Sb2Te5(GST)是目前找到的最为 理想的相变材料，然而其各项性能仍需要不 断的提高完善，需要在相变材料的结构稳定 性、电阻稳定性、相位分割清晰以及加快结 晶速度等几个方面进一步研究探讨。在此过 程中，我们仍需要去寻找新的性能更加优良 相变材料，使之能够最大限度地发挥PCM 的优越性.
（a）对应的是未掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜，（b）——（d） 对应N的掺杂量分别是6.44 × 1015，1.93 × 1016 和 4.51 × 1016 cm−2的Ge2Sb2Te5薄膜
掺N有助于促进Ge2Sb2Te5薄膜的多值存储，但是掺 杂量不能超出一定的范围。另外，从图中可以看到掺 N的Ge2Sb2Te5薄膜的阻值比纯Ge2Sb2Te5薄膜的 阻值要高，并且随着掺杂浓度的增多而增大，这有利 于减小写电流，降低功耗。因此为了同时达到多值存 储和增大阻值，合理选择掺N的浓度是十分必要的。 向Ge2Sb2Te5中掺入适量的Sn可以在一定程度上提 高器件的编程速度。掺入Sn后写“0”的速度可以由 200ns缩短至40ns，而写“1”的速度也由原来的40ns 减少到10ns。另外，读取数据的速度也有所提高，因 为晶态时的阻值由50KΩm减小到4KΩm。有效实现了 低功耗，快速读写。这可能是因为Sn在材料内部发生 了取代而得到的结果。
（2）最常用的方法，即减小电阻加热器与相变材料之间的接触面积。 （3）改进电阻加热器的材料性能。 （4）进一步完善存储元结构，探索新型结构。
2.b
器件的稳定性：
相变存储器基本性能
影响器件稳定性的主要有以下几个方面：
（1）在读操作过程中，流经器件的小电流会引发局部的加热 使相变材料自身发生相变，造成数据的丢失。 （2）反复的写操作可能会导致邻近位的一些无法预估的加热 ，使得材料相变造成数据丢失。 （3）相变材料本身性能和结构变化引起的器件单元失效。 （4）器件单元之间的干扰问题也在一定程度上影响了器件的 稳定性。 （5）元件过宽的电阻范围也会引起器件的失效。
2.a
电脉冲控制读、写和擦除操作：

工作原理

写入过程:短而强的电压脉冲，电能 转化成热能，材料温度升高到熔化 温度以上，经快速冷却，可以使多 晶的长程有序遭到破坏，从而实现 由多晶向非晶的转化.
擦除过程:一个长且强度中等的电 压脉冲，硫系化合物的温度升高 到结晶温度以上、熔化温度以下 ，并保持一定的时间，使硫系化 合物由无定形转化为多晶；
5，6 填充GST，制作电极
2.b
边缘接触结构
相变存储器结构
2.在另一个小孔刻蚀，淀 积GST，电极
1.标准小孔工艺，沉积电极和 绝缘材料
优点： 不用最先进的工艺线 ，即可减少加热电极 的接触面积
2.b
结构设计要求总结：
相变存储器结构
（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；
1.a 相变存储器发展背景
● 在近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
2. 相变存储器概述
a) 相变存储器工作原理 b) 相变存储器基本性能 c) 相变存储器结构
2.a
相变存储器：
工作原理
通常所说的相变存储器是指相变型半导体存储 器，是指相变型半导体存储器，简称CRAM，又被 称作奥弗辛斯基电效应统一存储器。
2.a
忆阻器：
工作原理
1971年，美国加州大学伯克利分校教授蔡少棠预 言了忆阻器的存在。 一种有记忆功能的非线性电阻。 通过控制电流的变化可以改变其阻值，如果，把 高阻定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电 阻可以实现数据的存储功能。 最简单的应用是非易失性存储器，即断电后仍然 能够保存数据的存储器。
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3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商定研发一个90nm的PCM技术；
常用材料——GST
目前使用最多的相变存储材料为硫系半导 体化合物，如GeSbTe，GeTe，GeSb， AsSbTe，AglnSbTe和AulnTe等。 Ge2Sb2Te5(GST)是目前相变存储器研究中 最为成熟的材料，其非晶态和晶态很稳定， 无需能量的供给即可保持存储信息，从而 可以应用于非易失性存储器。
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2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。

读取:通过测量硫系化合物的电阻值来实现的，所加 脉冲电压的强度很弱，产生的热能只能使硫系化合物 的温度升高到结晶温度以下，并不引起材料发生相变 。
2.a
电阻测量：
工作原理
退火温度对Ge2Sb2Te5薄膜电阻率的影响 从左图可以看出， GST的电阻率有两 个明显的下降台阶， 分别对应从 amorphous到fcc的 晶化过程以及从fcc 到hcp的结构相变过 程。
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，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky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，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
1.b 相变材料
相变原理
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。
我们将要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 。
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
2.b
写电流的减小：
相变存储器基本性能
相对于非晶态向晶态的转变（set），从晶态向非晶态的转变过程 中（reset）需要更多的能量，因此，reset电流较大，因此，要减小 写电流就要从减小reset电流入手。目前已提出多种减小reset电流的 途径，主要有以下几方面。
（1）改变相变材料的特性。正如前文提到的，在Ge2Sb2Te5中掺入适量的N可以 增大材料的阻值，从而提高发热功率，达到减小写电流的目的。
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
一般说来相变存储利用的是电阻的第一、二台阶
2.b
相变存储器基本性能
相变材料的改进
写电流的减小
器件稳定性的提高 读写速度的加快
2.b
相变材料的改进：
相变存储器基本性能
Ge2Sb2Te5是目前找到的最为理想的相变材料， 然而其各项性能仍需要不断的提高完善，主要是能够满 足CRAM存储需求，需要在相变材料的结构稳定性、电 阻稳定性、相位分割清晰以及加快结晶速度等几个方面 进一步研究。 现在主要的改进相变材料的方式是掺杂。
最大的不足：接触面积太小时，受光刻极限所限制
百度文库
2.b
相变存储器结构
经典的蘑菇型结构改进手段
在电极和相变材料之间， 增加一层过渡层，具有较低 的热导率和高的发热效率， 获得更小的操作电流。
2.b
Pore结构：
相变存储器结构
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2 电极上刻出绝缘层小孔， 填充多晶硅，化学气相沉积决 定中间出来小孔 刻蚀到下电极时，会出来小孔
相变存储器
Phase Change Memory
主要内容
一、相变存储器研究背景及相变材料 二、相变存储器概述 三、相变存储器应用
1. 相变存储器研究背景及相变材料
a) 存储器研究背景
b) 相变材料概述
1.a 相变存储器发展背景
● 20世纪50年代至60年代，Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。