《课外阅读相变存储器》PPT课件.ppt

相变存储器,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相变存储器（OUM,PCRAM）的基本原理,最早的“存储器” 相变存储器,结绳记事,晶态,非晶态,低阻,高阻,1,0,1.3.1相的概念,相：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,Eg: 水：水蒸气(汽相)，液态水（液相），固态水（固相）。,1.3.2相变存储器的基本原理以硫属化合物为基础的相变材料,相变材料应用 数据光盘 在脉冲激光的热诱导下可以实现在无序（非晶态）-有序（晶态）的转变，利用其光学反射率的巨大差异。,Stanford R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Physical Review Letter, vol. 21, no.20, pp. 1450-1452,1968.,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,3.实验结果,Ge10Si12As30Te48,Matthias Wuttig and noboru YaMada，Phase-change materials for rewriteable data storage， Nat. Mater., 2007, 6:824-832.,(1)set: 较长时间，中等强度的脉冲，温度上升到结晶温度以上，融化温度以下，从而结晶 (2)reset:强度更高，作用时间短促的电脉冲，温度升到材料熔点之上，淬火，材料进入非 晶态,融化,淬火,硫属化合物进入半导体行业 器件操作电压和电流很高 随着半导体行业水平的提高，相变存储器电学性能得到很大提高。,Ge2Sb2Te5,PCRAM 芯片,1.2相变材料的性质,Ge2Sb2Te5薄膜的性质,两个红框：对应两个放热峰。 蓝框：吸热峰，对应着融化。 两个放热峰，对应着两次晶型的变化过程,Ge2Sb2Te5薄膜的性质：差分扫描量热曲线，给出了研究物质形态随温度的变化。,Zhang T, Liu B, et al, Struture and electrical Properties of Ge thin film used for Ovonic Unified Memory, Chin. Phys. Lett., 2004, 21(4), 741-743.,Ge2Sb2Te5薄膜的结构和形貌XRD结果,非晶态的,亚稳态NaCl面心立方结构,250 ,400 ,Yamada N, Matsungag T. Structure of laser-crystallized Ge2Sb2+xTe5 sputtered thin Films for use in optical memory, J. Appl. Phys., 2000, 88(12):7020-7028. Yamada N, Ohno E, Nishiuchi K, et al. Rapid-phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory, J. Appl. Phys., 1991, 69(5):2849-2856.,Ge2Sb2Te5薄膜的结构和形貌拉曼光谱,沉积态,略为开始分裂成两个峰，仍为非晶态,400， 高波数发生较大漂移,非晶态展宽峰可能是非晶 Te-Te引起的,低波数的峰：A 高波数的峰：B,A：四面体GeTe4或锥形体中SbTe3极性键振动 B: (Te2)Sb-Sb(Te2)Sb-Sb的振动,Ge2Sb2Te5薄膜的结构和形貌TEM,TEM样品结构示意图,（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）已经形成,铜网上蒸发碳膜作为支持膜，然后沉积40 nm厚的 Ge2Sb2Te5薄膜,（4）退火温度500 几百纳米的晶粒形成，甚至出现空洞。,（4）退火温度620，空洞大量增加，体积变化很大，薄膜融化后再结晶。,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。,AFM图,1.3新型相变材料,相变材料的要求,Matthias Wuttig and noboru YaMada，Phase-change materials for rewriteable data storage， Nat. Mater., 2007, 6:824-832.,速度快，保持几十年，折射率，吸收系数差异大，电阻差异大，循环100万次以上。,非晶相模型的缺乏，材料光学性能的计算存在问题，过去的相变合金材料的多是通过反复 巧妙的实验设计出来。,在红外光谱， Ge2Sb2Te5反差明显 但到405 nm，却不明显。,Eg.,1.几种主要材料体 系的晶格结构,a.Ge1Sb2Te4或 Ge2Sb2Te5,b.Te60Ge4Sn11Au25,具有一定的晶格扭曲,成功的相变材料和失败的相变材料材料， 和平均价电子,环境友好型相变材料-GeSb,SiSb,Te:熔点低，蒸汽压高，高温下易挥发。毒！ Te元素的扩散， 1.影响材料性能，造成材料体积变化，接触不良。 2.和电极（Ti）生成合金,循环次数一直不够，未能广泛应用。,1.4相变存储器的器件结构,相变存储器的结构,1.经典的蘑菇型结构,其他改进手段：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。,Matsui, Y， et al; Ta2O5 Interfacial Layer between GST and W Plug enabling Low Power Operation of Phase Change Memories, Electron Devices Meeting, 2006. IEDM 06. International.(2006),4.GST限制,Lee, J.I.; Highly Scalable Phase Change Memory with CVD GeSbTe for Sub 50nm Generation, VLSI Technology, 2007 IEEE Symposium on Digital Object Identifier(2007),在底电极上刻蚀出直径很小的孔洞，填充GST，然后把表面抛平,3.Pore结构,Breitwisch et al, Novel Lithography-Independent Pore Phase Change Memory，VLSI Technology, 2007 IEEE Symposium on Digital Object Identifier, 2007.,操作电流：0.25mA,1,电极上刻出绝缘层小孔，,2,3,填充多晶硅，化学气相沉积的特点 决定中间出来小孔,刻蚀到下电极时，会出来小孔,4,5，6,填充GST，制作电极,5.边缘接触,Ha, Y.H.， et al, An edge contact type cell for Phase Change RAM featuring very low power consumption, VLSI Technology, 200