（微电子学与固体电子学专业论文）相变存储器多态存储机理研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 相变存撩器多态存储飙理骚窕 摘要 随着信息产业的快速发展，人们对移动存储的需求急剧增长。融于f l a s h 存储 技术具有非辫发的存储特性，因此被广泛地用于具有移动存储功能的备种产品中。 然瑟f l a s h 援零要求较毫戆霉灭毫歪、笔入速度遣镶耧( 潞量缀) ，缀难逶瘦未来麓 速、低功耗的存储要求。襁遮种情况下，相变存储器的研究被提上丁议事日程。相 变存储器是利用硫系化合物在非品态和鼎态的电阻率藏异实现双稳态的存储。由于 耀交存褚嚣爨露狭速敬写，擦逮疫( n s 爨缀) 、毫密震雾壤麓力、夷姆涎数据爨存褥 性以及能够和目前的c m o s 工艺兼容等优点被业界认为最有希望替代闪存( f l a s h ) ， 成为下一代非挥发存储器的童流存储技术。 妇餐搀簿存德器熬莓德蜜窿是一令穰褥赣究戆漾戆。逶豢鸯嚣耱方式髭够实凝 这个目标：一种是缩小存储单元的尺寸，以便提高单傲面积的存储熊力；另外。种 方法就是多态存储。所谓多态存储，就怒在同一个存储单元巾存储多个状态，这榉 霹欲在甭缱，j 、窍继萃元尺寸瓣1 l 摹挺下，爨麓存镰密度。嚣蕊在提交存德嚣兹磅变孛， 大部分的研究熏点放在如何减小存储单元尺寸上，因为这样既可以撼高存储密度又 可以降低r e s e t 过程的写电流。本研究在糊变存储器的s e t 过程寻求多态存储的解决 方案，莠在以下尼方垂进行了罨 | ：究： ( 1 ) 、研究了单层相炎薄膜实现多态存储的可能能，对传统的棚变材料( g s t ) 谳行改性，制锯了n 掺杂的g s t 。研究表明，n 掺杂通过提高g s t 的晶化温度和相 交漫疫，提楚了g s t 躲嚣滋稳定洼；掺聚瓣n 彝g e 缝合形成g e n ，浚甥覆存在予 g s t 的晶界上，束缚晶粒长大的同时也增强了非晶态、晶态f c c 相以殿晶态h e x 相的 电阻率稳定一眺，从而提高了非晶态、晶态f e e 相以及晶怒h e x 相的电阻率区分度，脊 ； | | 子； | 用这三令竣态戆毫瓣霉分别表薤举溺豹存德猿态，实臻多态存撩。 上海交通大学博士学位论文 ( 2 ) 、提出了将不同电阻率的相交薄膜叠加、形成的层叠薄膜具有多态存储的 能力。通过a n s y s 软件分析了该层叠薄膜实现多态存储的原因是：相同电流流过相 变薄膜时，在电阻率较高的薄膜内产生较高的温升，这样电阻率较高的薄膜能够在 较小的电流下先于电阻率低的薄膜发生晶化，从而达到分层晶化的效果，多态存储 就能够实现。我们进一步通过实验验证了层叠薄膜( g s t - s i w g s t ) 中的g s t _ s i 和g s t 能在1 4 m a 和5 2 m a 被分别晶化，层叠相变薄膜的分层晶化效果明显，层 叠相变薄膜的多态存储特性得到很好的证明。 ( 3 ) 、研究了w 阻挡层在层叠相变薄膜分层晶化中所起的作用。计算表明，w 阻挡层的引入有助于缓解相变薄膜晶化瞬间对相邻相变薄膜造成的电、热干扰，从 而有利于分层晶化的实现。通过实验，我们也发现随着w 阻挡层厚度的增加，中间 态的电阻“台阶”能够被延长，w 阻挡层具有调节电阻“台阶”宽度的作用。这也 间接证实了w 阻挡层的抗干扰作用。 关键词：相变存储器、多态存储、n 掺杂、层叠相变薄膜、w 阻挡层 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t s t u d yo nm u l 耍1 s 置镊嚣s 蕈o r a ( 避溉c h a n l s mo f p h a s ec h a n g er a n d o ma c c e s sm e m o r y ( p r a m ) a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) i n d u s t r y , t h e r ei sa l l i n c r e a s i n gd e m a n df o rm o b i l es t o r a g et e c h n o l o g y r e c e n t l y , f l a s hs t o r a g et e c h n o l o g i e s h a v eb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sp r o d u c t sw i t hm o b i l e s t o r a g ec a p a b i l i t yf o ri t s n o n - v o l a t i l es t o r a g ec a p a b i l i t y h o w e v e r , d u et ot h e r e l a t i v e l yh i g h e rp r o g r a m m i n g v o l t a g ea n ds l o ww r i t i n gs p e e d ，i ti sh a r df o rf l a s hs t o r a g et e c h n o l o g i e st os u r v i v ei n f u t u r es t o r a g em a r k e t , w h i c hr e q u i r e ss t o r a g et e c h n o l o g i e sw i t hf a s tw r i t e r e a ds p e e da n d l o wp r o g r a m m i n gp o w e r u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，t h er e s e a r c h e so np h a s ec h a n g e r a n d o ma c c e s sm e m o r y ( p r a m ) a r ec a r r i e do u t p r a mi sb a s e do nt h e r e s i s t i v i t y d i f f e r e n c eb e t w e e na m o r p h o u sa n dc r y s t a l l i n es t a t e so fc h a l c o g e n i d et oi d e n t 海t h et w o l o g i cs t o r a g es t a t e s s i n c ei t sf a s tw r i t e r e a ds p e e d ，h i g h d e n s i t ys t o r a g ec a p a b i l i t y , g o o d e n d u r a n c ea n dc o m p a t i b i l i t yw i t hc m o st e c h n o l o g i e s ，p r a mh a sb e e nr e g a r d e da so n e o f t h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o nm e m o r y h o wt oi n c r e a s es t o r a g ec a p a h i l i 玲i sav a l u a b l ei s s u et ob es t u d i e d ，t h e r ea r et w o m e t h o d st oa c h i e v et h i st a r g e tf o rp r a m ：o n ei st or e d u c ec e l ls i z e ，w h i c hc a ni n c r e a s e s t o r a g ec a p a b i l i t yo fp e ru n i t - a r e aa n dt h eo t h e ri st os t o r em u l t i s t a t ei no n ec e l l ，w h i c h c a ni n c r e a s es t o r a g ec a p a b i l i t yw i t h o u te x t r ac o s t h o w e v e r , i nt h er e s e a r c h e so fp r a m ， m o s tp e o p l ea r ef o c u s i n go nt h ec e l ls i z er e d a c t i o n ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s e ss t o r a g e c a p a b i l i t yb u ta l s or e d u c e sr e s e tc u r r e n t t h es t u d yf o c u s e so nt h em u l t i - s t a t es t o r a g e m e c h a n i s mo f p h a s ec h a n g em e m o r ya n dc o v e r st h ef o l l o w i n gp a r t s ： s t u d yt h em u l t i s t a t es t o r a g ep o s s i b i l i t yo fs i n g l ec h a l c o g e n i d el a y e r w e p r e p a r e dn i t r o g e nd o p e dg e 2 s b 2 t e 5 g s t ) b yr e a c t i v es p u t t e r i n gw i t h m a g n e t r o ns p u t t e r i n ga p p a r a t u s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a td o p e dn i t r o g e n e n h a n c e st h et h e r m a l s t a b i l i t yo fg s tb yi n c r e a s i n g t h e c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r ea n dp h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e o fg s t d o p e d n i t r o g e n c o m b i n e sw i t hg e r m a n i u mt of o r mg e n e x i s t i n gi nt h eg r a i nb o u n d a r yo f g s t , - h l - 上i 瓣交通大学博士学位论文 a b s t r a c t w h i c hs u p p r e s s e sg r a i ng r o w t hm e a n w h i l ee n h a n c e st h er e s i s t i v i t ys t a b i l i t yo f a m o r p h o u s ，f a c ec e n t e r e dc u b i c ( f e e ) p h a s ea n dt h eh e x a g o n a l ( h e x ) p h a s eo f g s t t h u s ，t h er e s i s t i v i t yd i f f e r e n c e so ft h e s et h r e es t a t e sa r ee n h a n c e da n d t h r e es t a t e ss t o r a g ec a p a b i l i t yo f p r a mc a nb er e a l i z e db yu s i n gt h er e s i s t i v i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s e 氆t e es t a t e s ， p r o p o s et h a tt h es t a c k e df i l ms t r u c t u r eb a s e do nc h a l c o g e n i d el a y e r sw i t h d i f f e r e n tr e s i s t i v i t i e sh a sm u l t i s t a t es t o r a g ec a p a b i l i t y w ea l s ou s ef i n i t e e l e m e n tm e t h o ds o f t w a r e a n s y st op r e d i c ti t sf e a s i b i l i t ya n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sr e v e a lt h a tt h es t a c k e df i l ms t r u c t u r eh a sm u l t i - s t a t es t o r a g ec a p a b i l i t y a n dt h er e a s o n sa sf o l l o w i n g ：w h e nt h ec u r r e n tf l o w st h r o u g ht h es t a c k e df i l m s ， t h el a r g e rt h er e s i s t i v i t yo fc h a l c o g e n i d el a y e ri s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r e p r o m o t i o ni si n d u c e di nt h i sc h a l c o g e n i d el a y e r t h u s ，c h a l c o g e n i d el a y e r s w i t hl a r g e rr e s i s t i v i t yc r y s t a l l i z ep r i o rt oc h a l c o g e n i d el a y e r sw i t hs m a l l e r r e s i s t i v i t y , a n ds ow i t ht h ei n c r e a s i n go fc u r r e n t ，t h ec h a l c o g e n i d ec r y s t a l l i z e s l a y e rb yl a y e rt or e a l i z em u l t i - s t a t es t o r a g e f u r t h e r m o r e ，s t a c k e d f i l m s t r u c t u r e ( g s t - s i w g s t ) w a sp r e p a r e dt op r o v e i t sm u l t i - s t a t e s t o r a g e c a p a b i l i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eg s t - s il a y e ra n dg s tl a y e ra r e r e s p e c t i v e l yc r y s t a l l i z e db yc u r r e n t sw i t h1 4 m aa n d5 2 m a ，w h i c hc o n f i r m s i t sm u l t i s t a t es t o r a g ec a p a b i l i t y s t u d yt h ep o s i t i v ee f f e c to ft a n g g e nb a r r i e ro nm u l t i - s t a t es t o r a g eo fs t a c k e d f i l ms t r u c t u r e s i m u l a t i o nr e v e a l st h a tt u n g s t e nb a r r i e rr e d u c e st h ee l e c t r i c a l a n dt h e r m a ld i s t u r b a n c ef r o mt h ec r y s t a l l i z i n gc h a l c o g e n i d el a y e r , w h i c hh e l p s t or e a l i z em u l t i s t a t es t o r a g e 。i nt h ee x p e r i m e n t s ，w ea l s of o u n dt h a tw i t ht h e i n c r e a s i n go ft u n g s t e nb a r r i e rt h i c k n e s s ，t h es t e pl e n g t ho fm i d d l er e s i s t a n c e s t a t ei se x t e n d e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt u n g s t e nh a st h ec a p a b i l i t yo fa d j u s t i n g t h el e n g t ho fr e s i s t a n c es t e pa n di t sa n t i d i s t u r b a n c ee f f e c tw a sc o n f i r m e d i n d i r e c t l y k e y w o t l d s ：p r a m ，m u l t i s t a t es t o r a g e ，n i t r o g e nd o p i n g ，s t a c k e dc h a l c o g e n i d e f i l ms t r u c t u r e ，t u n g s t e nb a r r i e r 1 v * 上海交通大学 学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已缀注明引用的内容外，本论文不 惫含饪 霉英继个人或集体蠢经发表或摸警过兹俸鑫成莱。对本文豹研究 做出踅要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识裂本声臻兹法德结果由本人承担。 学位论文作者签名：痞太； 日期：州年l j 习i , f 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：移、 7 肄 日期：j 一 年f 月f p 日 指导教师签名：妖嘞二 日期：2 击诨月7 f ) 日 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 存储器在半导体产业中占有举足轻重的地位。自问世以来，半导体存储器的应 用范围越来越广，市场越来越大。存储器按其存储特性可以分为挥发型( 如d r a m 和s r a m ) 和非挥发型( 如f l a s h ，e p r o m ) 两种类型。所谓非挥发，即在断电的 情况下写入的数据仍然能够保存。随着移动通讯、存储卡和英特网的发展，存储器 的用途正趋向多样化。过去是以计算机为中心，而近年来由于移动电话、数码相机 等便携式电子产品的发展，用户携带大容量数据的机会增加，其它的存储模式如磁 盘、光盘等无法满足其轻薄短小的要求，所以半导体非挥发存储技术具有广阔的市 场并已经获得了惊人的发展。目前商用非挥发存储器的主流技术是基于浮栅( f l o a t i n g g a t e ) 的“闪存”技术( f l a s hm e m o r y ) ，2 0 0 2 年已占据非挥发存储器市场的9 4 。 但是半导体业界预计，f l a s h 在进入6 5 n m 之后就会出现瓶颈，4 5 n m 几乎就是无法 突破的障碍i l l 。鉴于这种情况，目前世界上几乎所有电子和半导体行业巨头包括i n t e l 、 i b m 、m o t o r o l a 、s o n y 、n e c 、s a m s u n g 等都在竞相研发继f l a s h 之后的新一代非 挥发存储器技术1 2 ( 详情见各公司网站) 。更高的存储密度、更低的功耗、更大的带宽、 更短的延迟时间、更低的成本和更高的可靠性是存储器的设计者和制造者永恒追求 的目标。而磁性存储器( m r a m ) 、铁电存储器( f e r a m ) 和相变存储器( p r a m 或者o u m ) 作为首选的下一代非挥发存储技术正好能够在很大程度上满足这些条 件。因此，近年来对新型非挥发存储器( m r a m 、f e r a m 和p r a m ) 的研究日益成 为工业界和学术界的研究热点。 1 1 非挥发存储器 在实际的应用中，尽管m r a m 、f e r a m 和p r a m 都是将具有存储功能的存储 器件和m o s 管的源( 漏) 相连接，但是它们各自的工作原理和性能优劣是不相同的。 以下对“闪存”和几种新型非挥发存储器的原理作简单介绍。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 1 基于浮栅的“闪存”技术( f l a s hm e m o r y ) “闪存”技术的关键是对传统的m o s 管进行改造。如图1 1 所示，在传统m o s 管栅极绝缘氧化层的下面加入一层电荷陷阱层和一层隧穿氧化层，即形成“闪存” 的关键结构一浮栅( f l o a t i n gg a t e ) 。 “闪存”的存储状态( “0 ”态和“1 ”态) 主要由电荷陷阱层中的电荷状态决定 写入“0 ”态的时候，只要在栅极( g a t e ) 上施加一个较高的正电压，在导电沟道中 输运的部分电荷就会以隧穿电流的方式进入浮栅层( 如图1 1 中的p r o g r 枷m i n g 电流) 。 目1 - 1 闲存的结构示意田 瞻1 - 1s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f f l a s hm e m o r y 当栅极的电压撤除后，由于浮栅层的两侧是绝缘层，进入浮栅层的电荷将被“俘获” 当擦除写入的“0 ”态( 即回复“l ”态) 时，只要在栅极上施加一个反向高电压， 陷入“浮栅”层的电荷将以隧穿电流的形式被驱赶出浮栅层( 如图1 - 1 中的e r a s e 电流) 。 对于“闪存”中存储状态的识别是根据m o s 管源、漏电流的大小进行判定。如图1 - 2 所示p l ，当“闪存”处于0 态时。由于被陷电荷对导电沟道宽度和沟道内电流的 影响，在施加相同栅电压时，m o s 管源、漏检测到的电流会比在“l ”态时检测到的 电流小。通过辨别检测到的电流大小能够区分存储的“1 ”态或“0 ”态。 由于“闪存”是基于电荷的存储与释放，因此，“闪存”需要较高的写入电压， 写入速度也不快。特别是写入数据量较大的时候，写入较慢的劣势表现得更加明显。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 除此之外，“闪存”的循环使用寿命也受到很大的限制。这些局限性使得“闪存”技 术很难适应未来高速、低功耗的存储要求。 i d f l i d r v t o 5 vv t v g s 图1 - 2 。闪存”的i - v 特性曲线州 f i g 1 - 2t h ei - vc h a r a c t e r i s t i c so f f l a s hm e m o r y 1 1 2 磁性存储器( 胀棚) 磁性存储器是利用了存储介质的磁电阻效应“1 ，实现双稳态的存储。即在外加 磁场作用下，由于材料的磁矩发生变化而导致存储器的电阻在高阻和低阻之间变化。 当前在磁性存储器中，主要研究的存储介质采用的是磁性隧道结的结构相对于其 它结构而言，该结构能够较好地提高磁性存储器的信号质量，获取较高的信息读取 容限i 。如图1 - 3 ( a ) 所示，磁性隧道结是在两层铁磁性金属薄膜之间夹上一层弱磁 一 鼬喇* l n y 口 _ ( 叠)( b ) 图1 3 磁性隧道结结构示需图( n ) 争存储原理示意图( b ) f i 蛋l - 3s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f m t j 伪) a n di t ss t o r a g ep r i n c i p l e ( ” 怕 - 一丁上一 ” _ 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 绝缘薄膜的多层结构，其中一侧金属薄层的磁矩是固定的而另一侧金属薄层的磁矩 则由外加的磁场方向决定。当受到不同方向外加磁场影响的时候，绝缘层两侧铁磁 层的磁矩会形成平行或者反平行的状态。这样两种不同的磁矩排布将导致不同的器 件电阻值。如图l - 3 ( b ) 所示，当两层薄膜的磁矩相反时，磁性隧道结的电阻较大。 此时电流沿着图1 4 ( a ) 的方向流过磁性隧道结，将在器件两端产生较高的电压。反 之，器件两端能够读到较低的电压。磁性存储器就是依靠这种方式进行“1 ”态和“o ” 态的存储与识别。至于存储状态的改变则是依靠金属导线产生的高强度磁场来实现 的( 图1 - 4 ( a ) 中的w r i t ew o r dl i n e 或者图1 - 4 ( b ) 中的d l ) 。 磁性存储器具有较快的读写速度、能够获得较高的存储密度、具有较低的读写 电压而且是一种非破坏性的存储方式，因此从理论上说，磁性存储器的循环使用寿 命是无穷大的。但是，磁性存储器具有以下缺点9 l ：1 、磁性隧道结较难和目前的c m o s 工艺兼容；2 、在实际工艺过程中，隧道结绝缘介质层厚度的均匀性很难控制，因此 大规模加工的性能一致性不能保证；3 、磁性隧道结两个存储状态之问的电阻差异不 ( a )( b ) 图i - 4 磁性存储嚣的结构示意圉( a ) 和实物透射电镜照片( b ) i s f 嘻i - 4s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f m r a m ( a ) a n di t st e mi m a g e ( b ) 大，而进一步提高两个存储状态之间的电阻差异相当困难，这也对存储状态的识别 造成了一定困难 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 3 铁电存储器( f e r a t t ) 铁电存储器是基于铁电材料的两个不同极化方向而实现双稳态的存储。目前常 用的铁电材料有以下几种系列：s b t 、p z t 、p b t i 0 3 、b s t 和b a m g f 4 1 1 1 1 。图1 - 5 是 ( a ) w r i t e ( i n i t i a ls g a g et o 1s t a t e ) c o ) r e t e n t i o n ( 1s 诅旧 ( c ) w r i t e ( r s t a t et o 0s t a l e ) 图1 5 铰电材料存储原理示意困| l o f 嘻1 - $ s t o r a g ep r i n c i p l eo f f e r r o e l e c t r i em a t e r i a l s 铁电材料双稳态存储示意图。当外加电场作用于铁电材料的时候，由于铁电材料内 部原子位置发生变化，材料的极化方向也相应地发生变化，进而导致极化方向由原 先的初始状态变为“1 ”状态；如果此时撤除外加电场，材料维持所发生的极化，状 态“1 ”便得以保持；当加上反方向的电场时，材料可以由“1 ”状态重新回复到未 图i 6 铁电存储器的结构示意囝 f i g i - 6s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f f e r a m 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 施加电场时的“0 ”状态1 1 2 1 。如图1 - 6 所示，在实际的应用中，将铁电存储电容串联 在m o s 管的源( 漏) 极。需要读取不同的存储状态时，在p z t 电容上加脉冲电压， 由于铁电材料极化方向会影响流经位线( b i tl i n e ) 电流的大小。因此，可以通过检 测位线电流的大小辨别两种存储状态。 铁电存储器和目前的动态随机存储器( d r a m ) 相比，除了所使用的材料不同， 在结构上是一样的。动态随机存储器的电容结构使用氧化硅作为存储介质，而铁电 存储器的电容结构使用的是铁电材料。由于d r a m 存储的电荷会从硅基底释放，为 了保存数据，在使用的时候必须时时刻刻对d r a m 进行数据刷新，这样相对于铁电 存储器，d r a m 必须消耗额外的功率用于数据的维持。因此，相对于d r a m ，铁电 存储器在功耗上有很大的优势。但是，由于铁电存储器的存储机理是基于铁电材料 的极化，是一种破坏性的存储方式，因此使用寿命受到一定影响，这是铁屯存储器 的致命弱点 1 1 4 相变存储器( p l o u l ) 如图1 7 所示，相变存储器实际上是一个相变电阻，该电阻足基于硫系化合物 半导体薄膜的两端子器件。硫系化合物半导体是指由族元素( 如：s 、s e 和t o ) 参与组成的半导体材料。2 0 世纪6 0 7 0 年代，o v s h i n s k y 发现了硫系化合物在非晶态 瑟岑：岽嬲：二。菇麓戈嚣：鬟 图1 7 相变存储器的截面示意图1 “ f i g , i - 7s c h e m a t i cc r o s s - s e c t i o no f p r a m 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 和晶态之间来回转变的过程( 相变过程) 中。伴随着电导和光学常数的极大变化i “ “。利用这个效应，可以将硫系化合物作为光盘1 1 。1 7 1 或者存储器“i 的存储介质，进 行二进制的数据存储。目前工业界所使用的相变材料主要是基于g e s b t c 系的 g c 2 s b 2 t e 5 ( g s t ) 1 9 1 ，其薄膜在非晶态和晶态的电阻率之比可达1 0 4 倍1 2 吣舶，使用 此材料的相变存储器在高阻态和低阻态的电阻之比也可以达到1 0 0 倍以上，因此基 于g s t 的相变存储器具有很大的信息读取噪声容限。研究还表明，不仅g e - s b - t e 系的相变材料能够作为相变存储器的存储介质，g e t e l 2 3 1 、g e t e a s s i l 2 4 1 、g e t e a s l 2 s l 、 g e t e b i l 2 6 ”i 、l n t e l 、s e s b t e j ”i 和a s s b t e l 瑚等含有v i 族元素的化合物都能作为 相变存储器的存储介质。硫系化合物的相交过程是由于受热导致的1 3 2 1 。图1 - 8 是硫 系化合物的相变原理示意图脚1 在相变存储器的实际应用中，我们将相交存储器从 高阻到低阻( 硫系化合物非晶态一晶态) 的过程称为s e t 过程，而将相交存储器从低 阻回复到高阻( 硫系化合物品态一非品态) 的过程称为r e s e t 过程。要实现s e t 过程， 只要在相变存储器上施加一个宽而低的电脉冲，电流产生的焦耳热使硫系化合物的 温度高于其晶化温度( t k ) 而低于其熔点( 1 m ) ，这样保证硫系化合物在脉冲施加 的过程中能够形成晶化的导电通道( f i l a m e n t ) i 科期，从而实现器件由高阻向低阻的 翁攀 n n 墨 l n 1 1 m o 图l - 8 硫系化合物相变原理图舯i f i g 1 - 8p h a s ec h a n g ep r i n c i p l eo f c h a l c o g e n i d e 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 转变。由于导电通道内硫系化合物的结构已经发生变化，此时即使撤除电脉冲，相 变存储器仍然处于低阻态，所以相变存储器是一种非挥发存储器。要实现r e s e t 过程， 只要在相变存储器上施加一个“瘦高”的电脉冲，电流所产生的焦耳热使导电通道 内相变材料的温度在短时间内升高到熔点以上，随后在“瘦高”电脉冲快速撤除的 瞬间，已经熔化的相变材料由于急速冷却而回复到非晶态，从而实现低阻一高阻的 转变。 相变存储器的读写特性主要通过电流一电压( i v ) 特性曲线和电阻一电流( r - 1 ) 特性曲线得到表征。图1 9 是相变存储器的i v 特性曲线脚i 。对于初始状态为高阻态的 器件而言，当施加电压高于转变电压( v 廿) 的时候，i v 曲线的斜率突然变大、电流 突然上升，这说明器件已经变成低阻态，完成了s e t 过程。当需要将器件从低阻态回 复到高阻态时，加载在器件两端的电流必须达到图i 9 中“w r i t e ”区域的较上方。 只有在这个较大的电流区域内，电流才能够产生足够的焦耳热使品化通道内相变材 料的温度高于熔点，而后在电脉冲快速消失的瞬间通过急速冷却，完成r e s e t 过程。 当需要读取数据的时候，只要在器件的两端施加一个小于转变电压( v m ) 的电压( 电 压范围在图r - 9 中的“r e a d ”区域) ，通过读取流经器件的电流即可辨别所存储的状 目1 - 9 相变存储嚣的i - v 特性曲线。州 f i g 1 - 9t h el vc h a r a c t e r 虹t i c so f p r a m 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 态。较小的电流表示高阻态，较大的电流表示低阻态。r - 1 特性曲线反映了相变存储 器是直接写入而不需要归零的。从图1 1 0 1 1 3 可以看出，无论相变存储器之前为何状 态，只要施加的能量达到r e s e t 要求的能量，存储器都将变成高阻态；而无论相变存 储器之前为何状态，只要施加的能量低于r e s e t 要求的能量且高于t 要求的能量，存 储器都将变成低阻态；而当施加的能量低于s e t 要求的能量时，相变存储器保持原先 的状态。 图1 1 0 相变存储器的r - i 特性i d i f i 8 , 1 - 1 0t h er - ic h a r a c t e r i s t i c so f p r a m 相变存储器的读写是非破坏性的，循环使用寿命较长；数据读写过程中消耗的 功率相对于其它存储器小；读写速度较快( 在几十至一百纳秒之间) ；制各工艺和现 有的c m o s 工艺兼容，这使得相变存储器的生产无需增加太多额外的成本；加上其潜 在的多态存储能力，使其最有希望成为替代“闪存”的新一代非挥发存储技术。但 是，在高密度存储的情况下，由于m o s 管尺寸的减小，很难提供足够高的r e s e t 电流 使晶态g s t 的焦耳热温升达到熔点以上1 3 7 l ，这将使相变存储器的r e s e t 过程( 低阻态 一高阻态) 很难进行。因此，如何进一步降低r e s e t 过程的写电流成为目前困扰相变 存储器商业化的主要因素。值得庆幸的是，科研人员通过结构优化1 强圳、材料改性 刚以及增加发热层( h e a t e r ) i 辄“l 等方法可以将写电流降低到l m a i4 2 删以下。即使 这样，离实际应用的要求还是有一定的差距。 (efol2量te 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 5 几种存储器的现状和性能比较 虽然科研人员还发现了许多种具有存储功能的效应，但是目前人们广泛关注的 新一代非挥发存储技术主要是上面阐述的三种：基于磁性隧道结的磁性存储器 ( m r a m ) 、基于铁电材料的铁电存储器( f e r a m ) 以及基于硫系化合物的相变存 储器( p r a m ) 1 4 4 1 。表1 1 对几种存储器的性能作综合的比较。 表1 - 1 几种存储器性能综合比较i t a b l e1 - 1c o m p a r s i o no f d i f f e r e n tk i n d so f m e m o r y r e f p o “一e1 8 f k t o l 酬k 懒n删删k e n d m 一t 删 r e 村 9 n e t o 自n 棚 b 目，”w r n e f 岬 p e i lc k p r 4 m k ：r - l p i _ - n j r q i n 口q ， n r l h ，e 一，月d 口m n n m 协i ：m 0 sl o 舭o _ 帅 _ m - m t 口r b k $ “l a b j h l y u q t s b u w d n s t 甘a g e m p o k n b a i 其中阴影区域表示具有优势的特征。由于表1 1 是2 0 0 1 年发布的数据，而最新 结果表明，铁电存储器采用i t i c 的结构，单元面积也可以做到l o f 2 以下，3 d 结构 也能够实现。尽管铁电存储器的研发已有二十年历史，并且在低功耗、高速写操作、 循环擦写次数上远远优于“闪存”技术。但是在降低成本、提高器件的稳定性和可 靠性方面，却远不如当初期望的那么快，特别是目前的工作原理很难象“闪存”那 样实现在一个存储单元中存储多个状态。磁性存储器同样有读写速度快、循环擦写 次数高、读操作中不必回写等优点，但是其中的磁性隧道结制备难度高，制各工艺 和现有工艺不兼容、成本过高，尺寸难于缩小( 单元面积l 岬2 左右) 。因此铁电存 储器和磁性存储器是否能够取代“闪存”，成为未来非挥发存储器的主流技术还很难 说。而相变存储器除了具有读写速度快( 可达几十纳秒) 、存储单元尺寸容易缩小、 循环擦写次数高( 可达1 0 ”) 、制备工艺和目前工艺兼容等优点外，最吸引人之处是 其潜在的多态存储能力。相交存储器的这些优点使其很有希望替代“闪存”，成为下 1 0 - 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 一代大容量、低成本的非挥发存储器。在国际上，围绕相变存储器及其存储介质的 研究日益成为工业界和学术界的研究热点。2 0 0 1 年，i n t e l 、o v o n y x 和a z a l e a 公司首 次报道相变存储器后引起了极大的关注m 蚓。在随后的几年内，多家公司1 4 6 。跟随 他们的脚步，进行p r a m 的研究。特别是已经在f e r a m 技术投入数年研发力量的 s a m s u n g 公司在随后的几年内取得了很快的进展1 5 1 国匕 1 r 基于硫系化合物的多态存储技术 一直以来，多态存储是人们梦寐以求的存储技术。所谓多态存储，就是在同一 个存储单元中存储多个状态( 状态数多于2 ) ，如1 个存储单元内存储4 个状态，就 能存储两位的二进制数据( d o u b l eb i n a r yb i t s ) 。这样，就能在不额外增加管芯数量的 前提下，大幅提高单位面积的存储密度，具有很高的商业价值。目前成熟的半导体 存储技术中，只有“闪存”实现了该技术。所以，尽管“闪存”有一些不可克服的 缺点，其多态存储的能力嗍仍然使其在今天占据了非挥发存储器的很大市场份额。 自2 0 世纪6 0 7 0 年代o v s h i n s k y 发现硫系化合物具有光学存储和电学存储效应 以来，人们就在寻找基于硫系化合物的多态存储技术但是，早期由于受到客观工 艺条件的限制，人们对硫系化合物电学存储的研究很难进行。人们的精力主要集中 在相变光盘的研究上，并且在相变光盘的多态存储方面取得了一定的进展f 5 5 j 。而相 变存储器的多态存储方面，尽管o v s h i n s k y 很早就提出可以利用硫系化合物在晶态和 非晶态之间巨大的电导率差异实现多态存储脚l ，然而由于相变存储器的研究较相变 光盘的研究起步晚，因此罕有相变存储器多态存储特性的研究报道。 1 2 1 相变光盘的多态存储 据我们所知，在相变光盘的研究中，主要有三种方式可以实现多态存储：第一 种是利用相变材料不同晶化分数具有不同的反射率，实现多态存储5 鼽髑i ；第二种是 基于信息记录点的宽度调制( w r w m ) s g l ；第三种是基于入射光的强度调制( l i m ) 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 6 0 l 。以下对这几种相变光盘的多态存储原理作简单介绍： 第一，利用晶化分数不同实现多态存储。 l p s h i 发现g e l s b 2 t c 4 薄膜在不同的退火温度下具有不同的反射率( 如图1 1 1 所 示) ，这说明g e s b 2 t e 4 的不同晶化分数使其具有不同的反射率。因此，可以使用不同 能量的入射光激发相变材料，使其具有不同的晶化分数，从而通过检测不同的反射 率，实现如图1 1 2 所示的多态存储功能。 轴伯c n v 脚( ) 图1 1 l 相变材料退火温度和反射率的关系4 明 f i g - i - 1 1r e l a t i o n