新型相变型存储器研究进展

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@

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]。

已知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。Ge2Sb2Te5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，这也是CRAM的优势之一。这对材料来说存在着一定的技术要求——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。

图1 Ge2Sb2Te5薄膜的阻值与退火温度关系图

图1为Ge2Sb2Te5薄膜的阻值与退火温度关系图，(a)对应的是未掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜，(b)-(d)对应N的掺杂量分别为6.44 × 1015，1.93 × 1016和 4.51 × 1016 cm−2的Ge2Sb2Te5薄膜。从中可以看出，对于没有掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜，其阻值随着温度的升高而降低，在温度大于500℃后阻值趋于稳定。阻值两次下降的趋势并不明显，显然不利于多值存储。而对于掺杂一定量N的Ge2Sb2Te5薄膜，情况则有所不同。由图中的曲线（b）和（c）可以看到，随着掺N浓度的升高，阻值的第二次稳定状态变长，即中间的稳定状态可以在较长的温度范围内稳定。然而当掺杂浓度达到一定程度时（如图中曲线（d）），阻值的第二次下降消失了，且在180℃以后趋于稳定。

可见，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。

此外，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[15]。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。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米技术研究室在Ge2Sb2Te5中同时掺杂N, O 和B三种元素后[16-24]，Ge2Sb2Te5薄膜的晶格都发生了畸变，甚至产生分相，但当掺杂量和退火温度都很高时，分相不再发生, FCC到六方结构的相变也被抑制, 薄膜结构仍为FCC结构;掺杂的N和O与Ge键合，分别生成Ge3N4和GeO2，对晶粒有很明显的细化作用；N 和B的掺杂量较低时，薄膜的电阻-温度特征曲线中出现了两个明显的电阻下降台阶，可为C-RAM的多级存储提供关键材料；当元素的掺杂量较高时，晶态电阻在很大温度范围内变化范围很窄, 稳定性大大提高，同时晶态电阻也都有不同程度的提高；掺杂Ag和Sn原子后，虽然非晶态与晶态电阻的差别有所减小，但可以降低结晶激活能，从而可以加快结晶速率。