相变存储器器件结构及工艺研究
相变存储器材料研究综述
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。
相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述
第49卷第12期人工晶体学报Vol.49No.12 2020年12月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December,2020相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述杜玲玲，周细应，李晓(上海工程技术大学材料工程学院，上海201620)摘要：目前随着人工智能领域的兴起以及人们对数据存储和计算的强烈需求，迫切需要存储器的改进和类似于人脑的高效存储运算效率。
所以，相变存储器及其用于神经形态计算的研究是极具价值的。
相变存储材料(PCMs)受到激发时所产生的电阻值变化可以用来建立尖峰神经网络从而实现模拟神经形态计算系统。
本文介绍了相变存储器物理机制，其中包括相变材料的相变原理及主要性能特征，重点叙述了相变存储器在优化存储与计算方向的研究进展和应用,进而为该领域未来的发展方向提供参考。
关键词:相变存储器;相变材料;神经形态计算系统;相变突触/神经元中图分类号:TP333文献标识码:A文章编号：1000-985X(2020)12-239848Review of Phase Change Memory and Its Application inNeuromorphic ComputationDU Lingling,ZHOU Xiying,LI Xiao(School of Material Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620,China)Abstract：With the rise of artificial intelligence and the explosive demand for data storage and computing,the improvement of memory and the efficient storage and computing efficiency similar to that of human brain are urgently needed.Therefore，it is necessary to study phase change memory and its application in neuromorphic computation.The change of resistance caused by the excitation of phase change materials( PCMs)can be used to build the spike neural network and realize the simulation of neural morphological computing system.This paper introduces the physical mechanism of phase change memory，including the phase change principle and main performance characteristics of phase change materials，and focuses on the research progress and application of phase change memory，so as to provide reference for the future development direction of this field.Key words:phase change memory；phase change material；neuromorphic computing system；phase change synapse/neuron0引言信息时代,人们对数据存储和计算的需求日益增长。
相变存储器的研究进展
相变存储器的研究进展随着科技的不断进步和人类对于信息存储的需求不断增加，电子存储器也在不断地进行升级。
其中，相变存储器是一个备受关注的领域，它具有着存储密度高、速度快、可擦写等优点，有望成为未来存储技术发展的重要方向。
本文将对相变存储器的研究进展进行探讨。
相变存储器的工作原理相变存储器利用了物理上的相变过程，实现对信息的存储。
相变存储器中的存储单元由一定数量的材料组成，这些材料能够在经过电场或者光照的作用下，进行相变。
相变过程中，材料的特性会发生较大的变化，并且相变过程具有较高的可逆性。
因此，在相变存储器中，不同相态的状态可以被用作信息的存储。
具体来说，相变存储器中的存储单元可以缩小到10纳米级别，这意味着它可以在物理尺寸和存储密度之间取得相对的平衡。
相变存储器中的存储单元具有较快的读写速度，一般在纳秒级别，因此相比于传统的存储器，相变存储器更适合于高速读写任务。
同时，相变存储器的寿命较长，其存储信息的可靠性也较高。
研究进展和挑战随着相变存储器的研究深入，相关的研究成果也层出不穷。
在新材料的发掘方面，研究人员不断地寻找新的相变材料和更好的电子材料，以提高相变存储器的性能。
同时，在相变存储器的制造和优化方面，也有很多新的进展。
例如，近年来在相变存储器中引入其他功能元素，如变压器和电容器等，可以更好的实现其具有的存储、计算与通讯等多种功能。
同时，研究人员也在探讨如何通过控制相变体系和局部结构调控材料特性，从而达到更好的导电性和抗微观缺陷的性能。
但是，相变存储器的发展仍存在一些挑战。
其中最主要的问题是其可靠性和功耗问题。
由于相变材料内部的结构会随着电流密度的提高而受到破坏，所以相变存储器的可靠性一直是一个重要的问题。
同时，相变存储器的功耗问题也不容忽视。
这主要是因为相变存储器需要较高的电流密度来实现相变，因此其功耗较高。
未来展望与结论相比于传统存储器，相变存储器具有更高的存储密度、更快的读写速度和更好的可擦写性，而这些也正是当前高密度信息存储所需的。
相变存储器及其应用研究进展
相变存储器及其应用研究进展一、引言随着信息技术的快速发展，存储器作为计算机硬件的重要组成部分之一，越来越受到人们的关注。
相变存储器由于其存储密度高和功耗低等优点，成为了摆脱传统存储技术瓶颈的解决方案之一。
本文将从相变存储器技术的特点、应用、发展状况等方面进行讨论。
二、相变存储器的特点与原理相变存储器（Phase-change Memory，PCM）属于非易失性存储器。
相变存储器是利用相变物质（如GeSbTe、GeSbSe等）的物理性质，通过在相变物质中引入热脉冲或电脉冲，使相变物质从一种状态转变为另一种状态来实现存储的过程。
相变存储器的主要特点如下：1. 存储密度高。
相变存储器是一种三维存储结构，可以将多个存储单元集成在一个芯片中，从而实现更高的存储密度。
2. 速度快。
相变存储器读写速度可以达到纳秒级别，比传统的闪存存储器快很多。
3. 功耗低。
相变存储器的读写操作不需要外部电源，只需要少量电能激活相变物质即可，因此功耗非常低。
4. 非易失性。
相变存储器存储的数据具有非易失性，可以长期保存且不需要外部电源维持。
相变存储器的原理是通过在相变物质中施加电流或热脉冲，让相变物质的结构发生相变。
相变物质的电阻率随着结构状态的变化而变化，从而记录了数据。
相变材料的相变状态包括两种，一种是无序状态，另一种是有序状态。
在有序状态下，电阻率低，储存为0；在无序状态下，电阻率高，代表储存为1。
不同相变物质的相变状态转换温度不同。
通过控制施加电流或热脉冲的时间和强度，就可以实现相变存储器的读写操作。
三、相变存储器的应用研究进展相变存储器技术的应用潜力非常大，在计算机硬件领域具有广泛的应用前景。
下面将从相变存储器在计算机存储、人工智能和物联网等方面的应用以及相关技术的发展状况进行讨论。
1. 计算机存储相变存储器的高速读写和高存储密度等特点使其成为新一代计算机存储器的重要组成部分。
相变存储器不但可以替代传统磁盘驱动器、闪存盘等存储设备，还能够贡献于新型高速计算机的处理速度。
电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现
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。
课外阅读相变存储器PPT课件
铜网上蒸发碳膜作为支持膜，然后沉积40 nm厚的 Ge2Sb2Te5薄膜
（1）沉积态薄膜 并不是完全非晶
（2）退火温度250℃ 较大的晶粒（>50 nm）已经形成
（3）退火温度250℃ 晶粒（100 nm-200） •13 已经形成
空洞产生的推论和揣测： 1.结晶过程中形成更为致 密的结构，局部体积收缩 形成空洞 2.高温导致的Ge2Sb2Te5 中Sb和Te的挥发。
转变，利用其光学反射率的巨大差异。
•5
1968. Stanford R. Ovshinsky，电场激发下具有 高低阻值的转变现象。
1.实验装置
2.实验样品 Ge10Si12As30Te48
3.实验结果
Stanford R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Physical Rev•i6ew Letter, vol. 21, no.20, pp. 1450-1452,1968.
框架
1.相变存储器 1.1 相变存储器的基本原理 1.2相变材料的性质和性能优化 1.3新型相变材料 1.4相变存储器的结构 2.存储器和集成光学 2.1基于相变材料的门开关
•1
1.1相变存储器 （OUM,PCRAM）的基本原理
2
最早的“存储器” 器
相变存储
结绳记事
晶态
低阻
1
非晶态
Zhang T, Liu B, et al, Struture and electrical Properties of Ge thin film used for Ovonic Unified Memory,
相变存储器的工作原理
相变存储器的工作原理相变存储器是一种新型的非易失性存储器，具有电阻式随机存取存储器（Resistive Random-Access Memory，RRAM）或相变存储（Phase-Change Memory，PCM）的别名。
相较于传统的存储器，它具有更高的存储密度、更快的读写速度和更低的功耗，被广泛认为是未来存储器的发展方向之一。
本文将详细介绍相变存储器的工作原理，并从相变材料、电阻调制和读取操作三个方面进行阐述。
一、相变材料相变存储器采用了特定的相变材料，最常见的是硫化锌（ZnS）和掺硅锗（Ge2Sb2Te5）。
这类材料是一种非晶态和结晶态之间可逆转变的物质，能够在电流的刺激下发生相变。
相变材料的特殊结构和成分决定了存储器的工作性能。
二、电阻调制相变存储器的工作原理基于相变材料在不同电阻状态下的相变特性，通过改变相变材料的电阻来实现数据的写入和存储。
具体来说，当相变材料处于非晶态时，其电阻较高，表示存储位为逻辑“0”；而当相变材料转变为结晶态时，其电阻较低，表示存储位为逻辑“1”。
这种电阻的调制过程是可逆的，能够实现多次读写操作。
三、读取操作相变存储器的读取操作是通过测量存储位的电阻来实现的。
一般来说，读取操作是非破坏性的，即不会改变存储位的状态。
通过在相变存储器上施加一定的电压，可以测量存储位的电阻大小，从而确定其状态。
例如，当读取操作的电压小于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“0”；反之，当读取操作的电压大于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“1”。
四、应用前景相变存储器具有许多优点，使其在未来的存储器应用中具有广阔的前景。
首先，相变存储器的存储密度非常高，可以将更多的存储单元集成在一个芯片上，提高存储器的容量。
其次，相变存储器的读写速度快，可以实现更快的数据传输和处理。
再次，相变存储器的功耗低，比传统存储器更加节能环保。
此外，相变存储器还具备较长的存储寿命和较高的工作温度范围，适用于各种场景的应用。
相变存储器多值存储的微观结构研究
相变存储器多值存储的微观结构研究
刘成;赵进;辛天骄;郑勇辉;宋文雄;成岩
【期刊名称】《功能材料与器件学报》
【年(卷),期】2022()2
【摘要】相变存储器(PCRAM)由于高速、高密度、低功耗及可持续微缩等优点,成为新型半导体存储器的研究热点。
本文采用磁控溅射的方法和标准半导体工艺制备了Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)(GST)基PCRAM器件,通过不同电压脉冲宽度的电阻-电压(R-V)测试发现该器件具有多值存储特性。
采用透射电子显微镜(TEM)分析了不同阻值状态的微观结构,发现伴随着PCRAM器件电阻值的降低,GST材料层由底电极处开始晶化,并最终延伸至上电极,完成非晶态(a-phase)向晶态的结构转变。
结果表明,PCRAM器件的多阻态来源于晶态(非晶态)区域的体积占比不同。
【总页数】6页(P115-120)
【作者】刘成;赵进;辛天骄;郑勇辉;宋文雄;成岩
【作者单位】华东师范大学;中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP333
【相关文献】
1.一种新型非易失性存储器——相变存储器
2.基于相变存储器的相变存储材料的研究进展
3.Cu对用于高速相变存储器的Sb2Te薄膜的结构及相变的影响研究∗
4.
具有低功耗和多值存储性能的双层WO_X/AlON阻变存储器的研究5.相变存储器的高可靠性多值存储设计
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相变储能技术的研究
相变储能技术的研究一、引言近年来，能源以及环境问题一直是困扰世界的热点话题。
随着能源需求的不断增长和公众对环境污染的关注，如何高效储能并减少能源浪费已成为当前科学技术研究的一个重要方向。
相变储能技术，是一种全新的高效储能技术，可以通过控制材料在物理状态的变化来储存和释放能量。
目前，相变储能技术已被广泛应用于智能家居、电动汽车等领域，而且在未来储能市场的潜在价值也引起了越来越多的关注和重视。
二、相变储能技术概述相变储能技术，是一种利用材料在相变过程中吸收或释放大量潜热的高效储能技术。
与一般的化学电池储能技术不同，相变储能技术是通过控制材料在物理状态上的变化来实现能量存储和释放的。
相变储能技术有以下优点：首先，相变储能技术不会受到化学反应速率的限制，因此可以提供更高的能量密度；其次，相变储能技术可以实现高效的热量传输，从而能够提高储能和释能速率。
相变储能技术的核心是选择合适的相变材料，这些材料具有在断续变化体积的同时释放或吸收大量热量的特性，如水的蒸发和冰的融化等。
三、相变储能技术在智能家居中的应用智能家居系统是由多个智能设备组成的，包括智能照明、智能温控、智能化妆镜等。
这些智能设备需要高效的储能技术来保证它们的正常运转。
相变储能技术在智能家居中的应用主要涉及热量方面。
举个例子，智能热水器就是一种运用相变储能的设备。
智能热水器利用相变储存的热能来热升降机运转，实现热水快速供应。
相比之下，传统的热水器需要先加热再供应热水，浪费了很多能源和时间。
四、相变储能技术在电动汽车中的应用电动汽车目前已经成为全球关注的热门话题之一，但是如何提早实现电动汽车的普及则是摆在业界面前的关键问题。
相变储能技术在电动汽车中的应用主要涉及高效储能方面。
目前，最大的问题之一是电动汽车的续航里程。
这是因为传统的电池储能技术无法提供足够的能量密度和热量传输效率。
而相变储能技术则可以提供更高的能量密度和热量传输效率，从而实现高效储能。
光学相变存储技术研究
光学相变存储技术研究随着信息时代的来临，存储技术也在不断的发展和改进，其中光学相变存储技术正是一种比较新颖的存储方式。
光学相变存储技术是利用相变材料的相变特性，将数据存储在相变材料中，并通过光学方式进行读取和写入。
它具有存储密度高、工作速度快、能耗低等优势，是目前存储领域中备受瞩目的研究方向。
相变材料是一种特殊的材料，它有着很好的存储特性。
相变材料在特定的温度条件下会发生从结晶态向非晶态的相变，这种相变的过程具有可逆性。
相变材料在非晶态时电阻率很低，可用来代表数字０；在结晶态下电阻率较高，可代表为数字１，这种特性可用来存储数字信息。
随着光学相变存储技术的发展，研究人员发现将相变材料制成微米级的结构，使其具有较高的存储密度是实现大规模存储关键。
光学相变存储技术的优势在于其读写时间非常短，而且存储密度非常高且存储功耗也相对较低。
因此，它被广泛地应用于计算机、电信网络、移动设备等领域。
例如，光学相变存储器可以在很小的芯片上存储大量的数据，不仅可以应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备中，也可以应用于服务器存储系统中。
另外，光学相变存储技术还可以被用来进行高速数据传输，这也是目前光学相变存储技术最大的应用领域之一。
光学相变存储技术的研究目前仍处于初级阶段，其应用还存在一些困难和问题。
例如，相变材料需要在一个严格的温度范围内进行相变，因此对于存储设备来说，温度的控制是至关重要的；且光学相变存储器的寿命是一个困扰研究人员的问题，目前光学相变存储器的寿命较短。
此外，光学相变存储器还存在着读出信号过弱和周期性读写造成的数据错误等问题。
这些问题需要在后续研究中得以解决。
总之，光学相变存储技术是一种前景非常广阔的存储技术，在未来的数年中，随着相关技术的不断改进，有望在各种领域中发挥重要作用。
我们期待着光学相变存储技术的快速发展，真正将其应用于实际应用中，给我们的生活带来更加便捷和高效的体验。
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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。