（微电子学与固体电子学专业论文）用于相变存储器的新型器件和新型相变材料研究.pdf

摘要 摘要 随着目前非挥发存储器的主要代表f l a s h 在存储器市场大行其道，作为下一 代非挥发存储器的候选者们也成为了人们当前关注的焦点之一。其中主要的候选 者有：磁存储器( m r a m ) ，铁电存储器( f c r a m ) ，电阻存储器( r r a m ) 和相变存储器( p r a m ) 。其中，相变存储器以单元面积小、与传统c m o s i 艺 兼容性好、易于继续缩小、具有多值编写能力以及抗干扰抗辐射能力强等优点脱 颖而出，成为有望取代f l a s h 的佼佼者。i n t e l 甚至在2 0 0 6 年第2 1 届非挥发性半导 体内存学会上称“3 2 n m 以后是相变存储器的时代”。 目前，p r a m 面临的主要问题是r e s e t 操作电流过大，导致c m o s 驱动电路需 要更大尺寸的栅宽，并导致驱动电路占用了更大的芯片面积，这是不希望见到的。 通常的解决办法就是减小相变材料和存储电路的特征尺寸，或者提高相交材料的 电阻率，或者使用二极管制造驱动管。然而由于第一和第三种方法需要在成本更 高的工艺条件下进行，所以对于现有的存储器生产并没有很大的优势。 针对目前p r a m 的问题，本文提出了一种全新的存储器件概念，它可以实现 低成本多值存储。这种基于薄膜晶体管的存储单元，通过半导体层部分材料的相 变来改变沟道长度从而实现多植存储；而且，由于薄膜晶体管不需要占用硅表面， 所以可以使用层叠立体结构以实现高密度存储，而将有限的硅衬底面积让给外围 电路。同时，本文也创新性的提出一种提高相变材料晶态电阻率的方法，通过将 s i 、n 共掺到g s t 中，形成了s i - n 键，增大了载流子的散射率，进而大大提高了 相变材料的晶态电阻，有利于降低r e t 电流。 上述结果，使得相变存储器中高密度存储和低成本生产更易实现，这将使 得相交存储器在今后的非挥发存储市场上极具竞争力。 本文共分5 章。第l 章介绍相变材料的发展和相变存储器的由来。第2 章具体 介绍相变存储器的各种结构，对相变存储器整体进行评估，包括其目前的主要问 题和未来发展趋势，同时将它和其竞争对手进行全面比较。第3 章集中阐述相变 存储器的高密度( 多值) 存储方案，包括方案的提出，热学模拟分析，实验结果验 证，以及现存的不足之处和相关的改进工作。第4 章分析阐述了相变材料的改进， 包括设想的提出以及实验验证。第5 章作整体总结论述。 摘要 关键词： 相变存储器( p c m ) ；多值存储；薄膜晶体管；层叠结构；s i 、n 共掺杂 a b s t r a c t n o w a d a y s ，n o n v o l a t i l em e m o r y ( n v m ) r e p r e s e n t e d b yf l a s h ，t a k e sm o r ea n d m o r em a r k e ts h a r ei nc o m p e t i t i o nw i t ho t h e rm e m o r i e s a sa r e s u l t ，p e o p l ep a ym o r e a n dm o r ea t t e n t i o no nt h ed e v e l o p m e n to f f l a s ha sw e l la si t sp o s s i b l es u c c e s s o r s m r a m ( m a g n e t i cr a m ) ，f e r a m ( f e r r o e l e c t r i cr a m ) ，r r a m ( r e s i s t o rr a m ) a n d p r a m ( p h a s e - - c h a n g er a m ，a l s oc a l l e do v o m cu n i f i e dm e m o r y ，o u m ) a m o n g t h e s ec a n d i d a t e s ，p r a ms t o r e si n f o r m a t i o nt h r o u g hi t sp h a s e - c h a n g er e s i s t o r s ，w h i c h c a nb ep r o g r a m m e di n t om u l t i p l es t a t e sd i f f e r e n ti nr e s i s t a n c e c o m p a r e dw i t ho t h e r c a n d i d a t e s ，p r a mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lc e l ls i z e ，g o o dc o m p a t i b i l i t y w i t ht r a d i t i o n a lc m o s t e c h n o l o g y ，h i g hs e a l a b i l i t y ，m u l t i v a l u ep r o g r a m m i n g c a p a b i l i t ya n ds t r o n gi m m u n i t yt or a d i a t i o na n ds oo n b e i n gah o tc a n d i d a t eo f n v m i nt h ef u t u r e ，t h em a i ni s s u eo f p r a mi st h e r e l a t i v e l yl a r g ep r o g r a m m i n gc u r r e n t ，r e s u l t i n gi nl a r g e r - s c a l e ds i z eo f t h ed r i v i n g t r a n s i s t o r sa sw e l la sl a r g e rp e r i p h e r a lc i r c u i t , w h i c hi su n h o p e f u l s o m es o l u t i o n s h a v eb e e np r o p o s e d ，e g ，d o w n s c a l i n gt h ef e a t u r es i z ei np r a m ，o r i m p r o v i n gt h e r e s i s t i v i t yo f c r y s t a ls t a t e ，o rd r i v i n gt h em e m o r ya r r a yw i t hd i o d e s h o w e v e r , t h ef i r s t a n dt h el a s ts o l u t i o n sa r ep e r f o r m e dw i t ha d v a n c e dt e c h n o l o g y ，s ot h e ya r eo f l e s s a d v a n t a g ea c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn v mf a b r i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , an o v e ld e v i c ei sp r o p o dt oa c h i e v em u l t i - l e v e lm e m o r y s t o r a g ew i t l ll o wc o s t an e wm e m o r yc e l ls t r u c t u r eb a s e do nc h a l c o g e n i d et h i nf i l m t r a n s i s t o r ( c t 踊i sp u tf o r w a r df i r s t ，w h i c hm a k e su 辩o f b o t hp h a s ec h a n g ea n d s e m i c o n d u c t o rp r o p e r t i e so f c h a l c o g e n i d em a t e r i a l t h ec h a n n e lc a nb em o d i f i e db y t h ep h a s e c h a n g e ，a sar e s u l t ，m u l t i - v a l u eo u t p u t sc a nb eg o ti no n ec e l l a n d f u r t h e r m o r e ，n os i l i c o nc o n s u m p t i o ni sn e c e s s a r yf o rt h et f tc e l l ，w h i c hi sb e n e f i c i a l t os o l v et h el a r g ep e r i p h e r a la r e ad i f f i c u l t y i na d d i t i o n , as t a c ko fc t f t l a y e r sc a l lb e f a b r i c a t e dt oa c h i e v eh i g hd e n s i t y a l lt h e s ei s s u e sw i l lm a k ep r a mm o r ec o m p e t i t i v ea n d p r o m i s i n gi nt h ef u t u r e t h i st h e s i si sc o m p o s e do f5c h a p t e r s c h a p t e r1d e p i c t st h ed e v e l o p m e n to f b o t ht h ep h a s e - c h a n g em a t e r i a la n dp r a m c h a p t e r2a n a l y z e sv a r i o u ss t r u c t u r e sf o r p r a m ，d e p i c t ss o m em a i ni s s u e so fp r a ma n di t sd e v e l o p i n gt r e n di nt h ef u t u r ea n d e v a l u a t e sp r a ma n do t h e rn v m s c h a p t e r3d w e l lo nt h ep r o p o s e dd e v i c es o l u t i o n i nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h ep r o p o s i n g ，s i m u l a t i o n , v a l i d a t i n ga n di m p r o v i n g a n d ，t h e i m p r o v i n go f m a t e r i a l s p r o p e r t i e si sp u tf o r w a r di nc h a p t e rg a tl a s t , c o n c l u s i o n s a l em a d ei nc h a p t e r5 k e yw o r d s ： p h a s e c h a n g er a n d o m a c c e s sm e m o r y ( p r a m ) ；m u l t i l e v e ls t o r a g e ；t h i nf i l m t r a n s i s t o r ( t f t ) ；s t a c ks t r u c t u r e ；( s i + n ) 一c o d o p i n g 英文缩写说明 d s c g s t m r a m m t j p c m p c r p c t f t f e r a m f t i r o u m r t a s i l c x r d 英文缩写说明 d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r s g e 2 s b 2 t e 5 m a g n e t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y m a g n e t i ct u n n e l i n gj t m c t i o n p h a s ec h a n g em e m o r y p h a s ec h a n g er e s i s t o r p h a s ec h a n g et h i nf i l mt r a n s i s t o r f e r r o e l e c t r i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y f o u r i e rt r a n s f o r n li n f r a r e ds p e c t r o s c o p y o v o n i cu n i f i e dm e m o r y r a p i dt h e r m a la n e a l i n g s t r e s si n d u c e dl e a k a g ec u r r e n t s x - r a yd i f f r a c t i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声啊并表示了谢意 储虢髯纰嗍班 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文的复印件。允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名：秘导雅名：牡日期学 第一章绪论 第一章绪论 近两年随着计算机和移动通讯技术的快速发展，对存储器的要求也越来越 高，不但要求其体积小、功耗低、成本低、读，写速度快，而且还要具有不挥发 性，即在掉电的情况下仍然能保存数据。在这种要求下，f l a s h 越来越不满足市 场的要求，而且浮栅厚度的限制也使它很难随着集成电路技术的进一步发展突破 3 2 n m 的瓶颈。于是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 之后的新一代不挥 发存储器技术。其中，相变存储器( p c m ) 得到了广泛的关注，它相对于f l a s h 的优点在于： 抗疲劳特性好 _ 读写速度快 一每个记忆单元是一种夹层垂直结构，这种简单的垂直结构，可以容易与 按比例缩小，高密度的u l s it 艺结合 一通过材料优化，体积缩小，相变存储器读写电压可以降到1 v 左右，这与 下一个工艺节点u l s i 的电源电压相匹配 同时，由于相变存储技术与c m o s 工艺兼容性很好，且有能多值存储的前景， 所以市场对它寄予了很大的期望 本章首先介绍本文的研究背景，阐述相变存储器的发展历史与现状，接着介 绍本文的工作概述与选题动机，最后是论文的结构安排。 1 1研究背景 1 1 1 相变材料的由来和基本特性 在人们寻找固态电流开关控制器件的过程中，s r 0 v s h i n s k y 于1 9 6 8 年发 现：对于硫系玻璃状合金材料，其存在一个具有阙值电压的状态转换过程。 图1 1 1 “1 所示为这些非晶材料发生状态转换时的典型v i 特性曲线。这是 通过在材料上串联一个负载电阻后进行电流扫描得到的。 第一章绪论 t o ) 芒 f 、 m h c ：产塑占蓦： v r hk 、一、j v hv r “ 一7 _ m h c 、上一v o 图1 1 阈值处的状态转换：( a ) 电流扫描下的v i 特性：( b ) 激励作 用下的阂值电压瞬态特性和阈值电压与温度的关系。 这类非晶材料经过人们多年的研究，一些特性已为业界所公认，主要有： ( 1 ) “关”态下，电流对温度十分敏感。在发生阂值附近的状态变化之间， 材料对外呈现非线性电阻特性。此时，电流和电极的面积成正比。 ( 2 ) “开”态下，除非电极面积非常小，否则电流大小于电极面积及温度基 本无关。这在物理上体现为：“开”态下，合金半导体薄膜中会产生丝状的低阻 通道，使得激励电压主要落在电极上，而相变的合金半导体薄膜上电压降很小a ( 3 ) 状态转换的阈值电压随着温度的升高而降低，但在2 0 0 k 以下时基本是一 个常数，且阈值电压大小正比于薄膜的厚度。 ( 4 ) 维持“开”态的最小电压基本由材料的光禁带决定。 ( 5 ) 材料从“关”态经阈值电压发生状态转换时，会有一个转换的延迟时间。 该时间处于毫秒量级。延迟时间过后，材料会迅速转换成“开态”( 这个反映时 间处于l o 。秒的量级) 。对于随后的激励作用，高输入电压可以降低平均延迟。 第一章绪论 当输入的激励电压超过一定值后，平均延迟时间将逐步趋进于状态转换时间。 ( 6 ) “开”态下，材料上所加电压如果撤去，下一次转换时的闽值电压将会 暂时性的降低。这种余波通常会持续l 微秒左右，具体的时间关系依赖于激励撤 去时的操作电流。 ( 7 ) 如果串联电阻太高，则负载线将无法于材料“开”态的特性曲线相交， 这样，系统将出现自激振荡，如图l ( a ) 中打点的线与“o f f ”线在m h c ( m i n i m u m h o l d i n gc u r r e n t ) 点以下的延长线相交。在这些非晶材料中，一些具有相变特性 的合金半导体材料脱颖而出，逐渐成为业界关注的焦点。 这类合金半导体材料薄膜，在非晶态和晶态下，对外呈现的光学特性和电 学特性具有显著的差异，被称为相变材料。它们无疑是制作开关控制器件或二进 制信息存储器件的天然材料。这类材料中比较常用的有t e 、a s 、g e 和s i 的化合物 等。从此，相变材料开始步入光电存储的研究与应用之中。 1 1 2 相变材料已有的应用：光盘存储 于相变材料在晶态和非晶态下对外呈现不同的折射率，以g e ：s b ：t e s ( g s t ) 为 代表的相变材料在光存储方面的应用研究从7 0 年代就开始了。相变材料可反复的 在具有不同折射率的晶态和非晶态之间转换的能力，使得它们迅速成为光存储的 主要载体。在七八十年代，有关相变材料的研究主要是围绕t e 的合金展开。 相变材料发生相转换的根本原因是热效应，因此，实现光存储的基本原理 是：利用激光脉冲为选定位置处的非晶态或晶态相变材料提供能量，使之发热到 适当的温度范围以促成相转变。一般情况，记录数据时，施加短暂的高幅值脉冲， 然后迅速撤去脉冲使材料冷却而非晶化；擦除数据时，施加较长而幅值稍低些的 脉冲，使材料处于结晶温度和熔化温度之间以使材料晶化恻。这两种脉冲又分别 被成为r e s e t 脉冲和s e t 脉冲，作用的结果是将相变材料分别转化为非晶态和晶 态。由于两种状态下折射率的不同，因此只需施加一束激光后根据折射的情况不 同即可实现状态的区分，由此二进制存储得以实现( 晶态和非晶二种状态即表示 二进制下的“0 ”和“1 ”) 。 在利用相变材料实现光存储时，人们先后遇到的问题主要有： ( 1 ) 稳定性的问题。这主要体现在材料的晶化温度上。提高相变材料的晶化 温度，有助于提高常温下材料处于非晶态时的稳定性。这方面，人们主要通过在 第一章绪论 原有相变材料中掺杂的办法来提高材料的晶化温度。 ( 2 ) 老化的问题，即抗疲劳特性不好。经历多次相转换后，晶态和非晶态的 光学特性( 如：折射率等) 差异降低，使得不同状态的特性接近以致无法区分而出 错。 ( 3 ) 晶化速度的阀题。由于品化脉冲的时间通常远长于非晶化脉冲，因而过 长的晶化时间成了制约存储速度的主要因素。为追求速度而单纯降低晶化时间， 将会引起材料相转换时的晶化不完全，进而使得材料的可重复编写次数下降。为 此，人们着重寻找晶化时无相分离发生的相变材料，其晶化时间一般在1 0 0 纳秒 以下且晶化完全，是理想的材料。 经过多年的研究和工艺制各的改善，以硫系半导体化合物为基础的光存储 介质技术已经基本成熟。而在众多硫系化合物( g e 2 s b 2 t e 5 、g e 。s b | t e ng e 。s b 2 t e 和 g e t s b - t e s 等) 之中，综合考虑保持特性、抗疲劳特性、结晶速度和两态下的折射 率比例等多个方面，g e 2 s b 2 t e s 最终成为首选，在光盘存储中得到了广泛的应用。 g e z s b 2 t e s ，以下简称g s t ，是一种典型的硫系半导体化合物。作为二进制数 据存储的载体，g s t 有2 种表现出不同光学特性的状态：非晶态和多晶态( 多晶态 有2 种结构：低温下的面心立方和相对高温下更稳定的密排六方) 。由于g s t 的多 晶态和非晶态在折射率上有明显的差异，使得状态区分变得十分简单。 有关g s t 多晶态的2 种结构，已有的研究结果显示：从非晶的初态开始相转 变时，首先是由非晶态转向面心立方( f a c e c e n t e r e d c u b i c ，f c c ) 结构。转换温度 的范围为3 9 9 - 4 4 8 k 。接下来，在更高的温度下( 5 3 0 k 左右) ，材料由f c c 结构 转向更稳定的密排六方结构。 g s t 的两种状态：非晶态和多晶态，不仅在体现光学特性的折射率上有明显 的差异，而且在体现电学特性的电阻值上更有着巨大的分别，这一切预示着这一 已在光存储方面广泛应用的材料在半导体存储领域也将成为注意的焦点。 1 1 3 相变材料的新应用：相变存储器 早在8 0 多年前，硫系材料中通过电流后发生结构变化时，人们就已经观察 到其电导率的变化。1 当时的材料是m o s ：。5 0 年代，对于很多晶态和非晶态硫系合 金的半导体特性，人们进行了广泛的研究“1 。6 0 年代初期，新型的可反复实现相 转变的材料以及相关的电编写光编写器件纷纷出现 5 。当时，这些进展预示着： 第一章绪论 以硫系为代表的相变材料，将可能作为非挥发存储器在数字计算机中得到广泛的 应用。 由此，业界开始广泛的研究硫系半导体及其可能的相关应用。可反复读写 的光存储盘首先研制成功，容量达到6 5 0 m b ，随后的d v d r a h i 在容量上更上一层 楼，达到2 以5 2 g b 。与光存储的突飞猛进相比，电编写的相关存储器进展缓慢。 一个主要的原因是：光刻工艺水平的限制使得相关的存储器件编写电流太大，存 储密度受限于大电流引起的功耗问题而不可能做得很高。这种影响直到近几年才 渐渐消除，因而，最近几年工业界重新开始关注于相变材料在存储器方面的应用： 相变存储器r ( p h a s e c h a n g e k a m ，p r a m ) 。又称o u m ( o v o n i cu n i f i e dm e m o r y ) 的 相变存储器，就是在这种环境下重新兴起，成为目前业界公认的继f l a s h 之后、 下一代不挥发存储器的热门候选者之一。 除了目前光刻的工艺水平已经接近完全解决编写电流问题的水平外，光存 储方面对相变材料的广泛研究已经为这类材料用于半导体存储器打下了基础。现 有的快速晶化的相变合金材料和已经掌握的多组分的硫系合金特性将大大减轻 该类材料用于存储器方面的研究工作。同时，光刻等工艺的进步使得人们对器件 的特性更加了解，也有利于设计出更符合实际要求的存储器件和阵列。 目前，对于f l a s h 之后下一代非挥发存储器的发展，半导体业界普遍看好相 变存储器( p r a m o u m ) 。表l 是0 u m 和其他非挥发存储器以及挥发性的s r a m 、d r k i 的比较”。 表1 1 相变存储器( 0 u m ) 与其他主流存储器的比较 表l 中阴影所示为该技术的优势。可以看到，相变存储器( 0 u m ) 的优势在于： 读写性能、抗疲劳特性( e n d u m n c e ) 好，工艺简单，成本低，与c m 0 s 工艺兼容性 好以及尺寸易于进一步缩小。其读写特性接近动态存储器( d y n a m i c 第一章绪论 r a m ，d r a m ) ，同时可以直接写入，不需要像f l a s h 那样成片擦除后再写。抗疲劳 特性远胜f l a s h , 对很多s r a m 和d r a m 应用的场合也可以胜任。读操作是非破坏 性的，而且读次数理论上没有限制。其缺点主要是操作电流过大，功耗高。但这 一问题将随着特征尺寸的不断减小而逐步得到解决。而同时，相变存储器的优势 则随着特征尺寸的降低越来越明显，具体体现在：特征尺寸减小时，需要进行相 转换的材料体积将迅速减小。而写操作的时间和所需能量也随之同步下降。 另外，相变存储器低电压操作正好与不断下降的c m o s 供电电压相匹配，无 需类似f l a s h 的电荷泵。容量方面，o u m 与d r a m 相比毫不逊色甚至更加优秀，且多 值存储的能力一旦实现，存储密度彻底超过d r a m 将毫无疑问。 由此可见，相变存储器具有的种种特性，的确有使之成为“大一统”存储器 的可能。虽然目前它仍然存在例如操作电流仍然偏大、材料本身一些特性还没有 彻底弄清楚等问题，但随着时间的推移和特征尺寸的减小，它的优势几乎将是不 可阻挡的。 1 2论文研究工作概述与选题动机 目前，半导体业界对p r a l v i o u m 展开研究的主要有： o v o n y x 、i n t e l ， s t m i c r o c l c c t r o n i c s 、s a m s u n g 和h i t a c h i 等。 研究的主要方向如下： 器件和材料方面：旨在降低过大的r e s e t 电流或者提高驱动管的电流驱动能 力，同时提高相变材料的结晶温度以解决高温工作下的可靠性问题。这方面，经 研究和实验发现，电流大小与器件的几何结构密切相关，而且正比于相变材料和 电极的接触面积，因而各种减小接触面积的做法应运而生。同时，可以用d i o d e 代替m o s 作为驱动管，可以解决m o s 驱动力不够的问题。可靠性方面，提高材料的 结晶温度主要靠掺杂，同时进行理论上的分析。另外，对相变材料的保持特性和 抗疲劳特性的研究也是热点之一。 电路设计方面：随着相变材料尺寸的降低，工艺的波动和电路中连线的影 响不断增大。目前，i n t e l 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 和s a m s u n g 等都已经做出了一些测 试芯片。i n t c l 宣称相变存储器的外围电路过大，且由于相变存储器件r e s e t 电流较 大，i n t e l 和s t m i c r o e l e c t r o n i c s 在具体电路设计时都考虑过使用双极型晶体管的方 案。目前的主要焦点在于：在尽量克服影响日益增大的工艺波动的前提下，尽可 能增大存储密度( 降低外围存储电路所占的面积) 。另外，为保证存储器使用的可 第一章绪论 靠性，对于阵列中连线等影响，业界也在寻找解决方案。 本文从器件和材料的角度出发，结合目前器件不足，针对多僮和海量存储 进行新型器件结构的开发。同时，针对现有的相变材料不佳的电性特性，本文从 掺杂的角度提出了解决办法。这些高密度、低成本的设计有助于相变存储器未来 执非挥发存储器市场之牛耳，这些研究成果同时也申请了几项发明专利。 1 3论文安捆e 本文共分5 章。第1 章为绪论。第2 章具体介绍相变存储器的各种结构，对相 变存储器整体进行评估，包括其目前的主要问题和未来发展趋势，同时将它和其 竞争对手进行全面比较。第3 章和第4 章是本文的核心内容。这3 章提出并讨论针 对相变存储器现有问题的解决方法。第3 章侧重新型器件结构的设计，阐述了它 的工作原理、制造工艺及测试结果，着重表现了它的多值存储的功能s d f 氐$ t j 造成 本的优势。第4 章针对现有的相变材料不佳的电性特性，提出一种共掺杂的方法 提高晶态电阻，降低写操作电流。最后，第5 章对全文进行总结，对相变存储器 以及非挥发存储器的发展作展望。 第二章相变存储器的基本原理，发展现状与趋势 第二章相变存储器的基本原理发展现状 与趋势 本章将首先介绍相变存储原理，以及器件的基本性能以及测试方法。随后分 析相变存储器面临的主要问题以及相应的解决方法。接着简要地介绍了其竞争对 手的发展，并比较他们的优劣。最后对本章进行总结。 2 1存储原理 如前文所述，相变材料处于非晶态和多晶态下时，其电阻有明显差异。利 用这一特点，电路中将相变材料做成相变电阻( p h a s ec h a n g er e s i s t o r , p c r l 。p c r 在材料为非晶态时阻值较高，两在材料为多晶态下阻值较低。利用这一点，p c r 就成了存储二迸制信息的天然载体。由此，相变存储器( p r a m ) 应运而生了。 相变存储器p r a m 的存储器件是p c r ，这是一个2 端的薄膜器件，如图2 1 1 【6 】 所示。薄膜材料目前主要使用的是g c 2 s b 2 t e s ( g s t ) ，其晶态和非晶态下的阻值差 别可以达到1 0 0 倍以上，因此读出信息时的噪声容限很大。在具体的工艺制作过 程中，p c r 的制作在晶体管形成之后，又在金属布连线之前，和现有的c m o s 逻 辑模拟电路的工艺兼容性较好。 图2 1 i 存储器件的截面示意图 如第1 章中所述，相变材料在多晶态和非晶态之间转化时，需要施加的脉 冲有2 种：r e s e t 脉冲和s e t p 咏冲。前者将相变材料熔化后骤冷，使之非晶化； 后者将相变材料加热到结晶温度以上、熔点温度以下，使之晶化。这2 种脉冲下 第二章相变存储器的基本原理，发展现状与趋势 的温度随时间变化曲线如图2 1 2 1 6 1 所示。 t b 币r _ z - 埘 t i m e 图2 1 2 相变过程中温度和时间的关系曲线“3 在使材料非晶化的r e s e t 脉冲激励作用下，相变材料中被编写的那部分 ( a c t i v e v o l u m e ) 的温度将超过材料的熔点温度。此时材料熔化，多晶的有序排列结 构完全被打破。r e s e t 脉冲过后，器件急速冷却以至于材料来不及在适当温度进 行晶体生长，因而材料最终呈现出非晶状态。急速冷却的时间( 典型值为l n s 左右) 由器件的热学环境和r e s e t 脉冲的下降时间共同决定。相比之下，使材料晶化的 s e t 脉冲在幅值上比r e s e t 低一些，但持续时间由于材料完全晶化的需要而相对 较长( 约5 0 n s 左右) 。 2 2基本特性与测试方法 图2 2 1 【6 】所示为p c r 的i v 特性。测试时p c r 与一负载电阻串联后进行电 流扫描而测其两端电压。v h 为维持电压，v t h 是相变材料的阂值电压。执行读操 作时，为防止读操作对材料状态的干扰，读电压应小于阈值电压。此时材料的读 出结果有2 种：材料处于高阻非晶态时电阻在l o o k f l 以上，而材料处于低阻多晶 态时电阻一般在1 k q 左右两者相差有1 0 0 倍以上。 需要说明的是，以上的电阻都是稳定时低电压( 或低电流) 的读取结果；在 编写时，足够高的激励脉冲施加在相交电阻上，此时的相变材料呈现高电导率的 “开”态，与静态稳定情况有所不同。而材料最终的状态，则取决于电流激励的 幅值和在材料处于“开”态下脉冲的持续时间。由于图2 2 1 是相变电阻p c r 和一 第二章相变存储器的基本原理，发展现状与趋势 负载电阻串联时通过电流扫描所测得的，图中的“开”态下i v 曲线斜率的倒数 与负载电阻的大小有关。 图2 2 1 相变电阻p c r 的i - v 特性彻 图2 2 2 所示为p c r 阻值和编写电流幅值的关系。从图中可以看出，尽管初 始的状态有所不同，但一旦电流增大到一定值( 此时对应的电压达到v t l l ) ，p c r 的阻值立刻降到晶态电阻的水平。很明显，此时材料晶化了。不同初值的两条 曲线在此低阻范围内十分接近，说明晶化时材料的最终状态与初态关系不大， 主要取决于s e t 的电流脉冲。同样，对于右侧的曲线变化可以看到，在电流继 续增大的情况下，两种状态都有非晶化的趋势而最终的状态趋于一致：都为高 阻态。这说明：材料的非晶化，也和初态无关，而由r e s e t 脉冲决定。总之， p c r 具有直接编写特性，最终的阻值和状态与初始状态无关，只由施加的激励 脉冲决定。 l 雎+ 0 5 ，矗州 卜h 黼蚋 岫h 蠹h ，2 7 a 日日a t h h ，a _ ，d 叫 o t 阿 d 0 2 o o似11 名1 a i ，i r e s o t l|二g芒囊|l_若 第二章相变存储器的基本原理，发展现状与趋势 图2 2 2p c r 电阻值与编写电流的关系( r i 特性) 2 3器件性能与现状 目前，相变电阻p c r 的诸多特性都已经较为清楚： 在阻值差异方面，目前有报导的，基本在i o ”1 0 3 左右，较低的也有几十忉( 以 上为纯g s t 的情况；对于掺杂的情况，下面另行论述) 。其中，晶态低阻值约为 1 k q 左右，而非晶态高阻值在1 0 0 k q 左右甚至更高“1 。 在抗疲劳特性方面，目前的性能水平，反复写操作的次数基本在1 0 9 l o ”删 之间均有报导。一般认为是在1 0 ”以上”3 ，如图2 3 1 捌所示。 善 蓥 s 墓 再 毒 - t , e * o e q钿j h 。筋时伽气一飞 r l s l o 口u阳w i d t hs o 矗e s e td 岫w i dha o 帆扣加 r 日 n u m p e r 时q 胆i 蚪 图2 - 3 1s e t 和i 汪s e t 状态下：存储元件的疲劳特性测试结果 在操作电流方面，目前的r e s e t 电流脉冲都较大。各种报导中，电流幅值 多在0 6 1 5 m a 之间，持续时间在1 0 5 0 n s 不等。对于s e t 脉冲，幅值比r e s e t 略小，一般在0 2 o 8 m a 之间，持续时间比r e s e t 长，在6 0 “l o o n s 左右。 在保持特性方面，非挥发存储器一般要求：存储信息要在正常工作温度下至 少保持l o 年。目前，经测试的相变存储器样品，其保持特性可在1 l o 1 3 0 下 保持l o 年以上“1 ，如图2 3 2 所示，基本达到要求。 2 孵 ， 蚯# j舸 ， i 一 露 勰私笛罄2 i箍秘 t a c i tl 撕田 懦 啪 埘 也 啦 证 值 值 幅 循 1)塞霉嚣s墨o 第二章相变存储器的基本原理，发展现状与趋势 图2 3 2p r a m 中存储元件p c r 的保持特性 r 2 4目前的主要问题 作为下一代非挥发存储器的热门候选者之一，相变存储器以高密度，低成本、 高速、与现有的c m o s 工艺兼容性好和小尺寸下各种优势更加突出等等特点成为 目前人们关注的焦点之一。然而，在相变存储器p r a b l 真正成为市场的主宰之前， 它必须要解决很多问题的困扰。目前已知的、p r a m 主要面临的和可能面临的问 题有：操作电流过大、受工艺波动干扰时的可靠性问题、长位线寄生电阻带来的 可靠性问题、材料本身的保持特性以及掺杂后可能出现的抗疲劳特性下降和阻值 差异下降等等。下面就主要的几个问题进行分析讨论。 2 4 1 过大的编写电流 目前p r a m 所面临的最大问题，业界公认是：操作电流过大，尤其是r e s e t 电流太大，目前处于毫安量级。这意味着p r a m 存储单元中的c m o s 选通开关将 很难提供足够的操作电流。在c o m s 工艺中，常用的办法就是增加选通管的栅宽， 这直接导致的结果就是外围电的面积增加，从而减小了存储单元的面积，很不利 于高密度存储的实现。目前报导的情况而言，r e s e t 电流一般在1 m a 左右。既便 是采用了很多新技术如边墙接触等等，并应用更精细的制造工艺 1 1 一：5 3 ( 如o 1 8 微米工艺，甚至0 1 3 微米工艺) 后，操作电流仍然较大。尤其是r e s e t 电流，仍 有0 3 0 6 m a 左右。这不仅对选通开关管要求很高，而且功耗问题也会凸现。 除此之外，由于操作电流较大( 主要是写操作电流) ，将引起其他方面的一 系列问题，如器件的可靠性，热干扰等等。而这些问题又影响着p r a m 尺寸继续 缩小的前景。因此，操作电流大的问题已经成为制约p r a m 进一步走向成熟和商 业应用的最大障碍。 2 4 2 工艺波动的干扰 p r a m 的写操作电流因为g s t 相转换的原因而不得不达到毫安量级。这不仅 给存储单元中c m o s 选通开关管出了难题，而且几乎影响到p r a m 的方方面面。 因此，人们开始寻找降低操作电流的办法。其中，最简单有效的就是缩小器件尺 寸，即缩小发生相转换的那部分g s t 材料的体积。 然而，缩小器件尺寸时，相对误差将变得难以控制。对于一个硅片上的存 储阵列而言，阵列中距离较远的2 个单元中，g s t 电阻器件的尺寸可能会因各种 因素而有很大差异，这将严重影响整个电路的可靠性。由此带来的几乎不可避免 第二章相变存储嚣的基本原理，发展现状与趋势 的工艺波动，对材料提出了很高的要求，电路也需重新设计。 2 4 3 f 蜊t l 上的电压降 随着p r a m 向着产品化的方向迈进，p r a m 存储阵列已有样品出炉叭。在 存储阵列中，当位线寄生电阻不能忽略时，位线电阻带来的电压降将使得：相同 激励下，同一阵列中不同位置的存储单元实际得到不同的脉冲激励。这将严重影 响到存储器读写操作的可靠性问题，尤其是对存在写操作窗口的s e t 脉冲“”。另 外，不可忽略的位线电阻也会对读操作时的电路噪声容限有影响。 2 4 。4 保持特性 不管是从存储的可靠性考虑还是从非挥发存储的一般要求而言，保持特性 都是很重要的。非挥发存储器一般要求，数据在掉电状况下要保持1 0 年。目前， 有关p r a m 的保持特性，在11 0 c 1 3 0 c 下保持l o 年以上的报导呻“”都有。然而， 相关报导“5 1 显示，编写后的常态下，g s t 的“关”态阻值和阈值电压随时间都有 一定的变化。虽然目前的情况还比较乐观，但考虑到结晶温度和工作温度的关系， 在尽可能不影响其他性能的同时提高结晶温度，对提高p r a m 在高工作温度下的保 持特性有很重要的意义。这也是将来p r a m 发展中可能出现问题和需要留意的地 方。 2 5解决的办法和途径 2 5 1 操作电流问题 对于p r a m 相对较大的操作电流，特别是r e s e t 电流，应对的方法和基本 的思路主要有： ( 1 ) 减小发生相转换的那部分g s t 材料的体积，这需要减小器件的尺寸；( 2 ) 减d 、g s t 材料与电极的接触面积：( 3 ) 对g s t 材料进行特定的掺杂。( 4 ) 使用可提 供大的操作电流的器件。 对于第一种思路，即减小g s 啪料的尺寸，业界普遍采用更精细的新工艺 制程，如0 1 8 微米甚至0 1 3 微米工艺，在器件结构大体相同的情况下减z j 、g s t 材 料的尺寸，进而降低需要发生相转换的g s t 体积，最终达到降低写操作电流的目 的。 但由于单纯减小相变材料( 如o s t ) 器件尺寸的效果仍不能令人满意，人们开 第二章相变存储器的基本原理发展现状与趋势 始寻找其他辅助方法，希望能在现有工艺的条件下做出更小尺寸的器件。这方面 的研究主要是利用材料本身或其他机理使得发生相转换的g s t 材料具有比目前 工艺水平更小的尺寸，如i t p 公司采用的f i l a m e n t 生长方法“”，如图2 5 1 1 所示。 图2 5 1 。1 利用f i l a m e n t 方法实现小尺寸的g s t 结构“” 上图中，3 0 和3 5 为导电性良好的电极，2 0 为具有负阻动态特性的材料。4 0 是2 0 中形成高电导率的f i l a m e n t 部分，而没有形成f i l a m e n t 的部分则电导率越低越 好。7 0 是相变材料，而8 0 贝f j 是真正发生相转换的那部分相变材料。由于4 0 的 f i l a m e n t 在尺寸上远远小于目前可以达到的工艺尺寸( 如3 0 ) 且4 0 的大小直接限制 y s o ( a p 发生相转换的g s t ) 的尺寸。因而可以达到“相转换g s t 材料尺寸足够小 ( 远小于现有工艺水平) ”的目的。 对于第二种思路，业界十分关注。目前主要s a m s u n g 公司的边缘接触( e d g e c o 北l c d 方法“”为代表，如图2 5 1 2 所示。这种方法的理论依据是：发生相转换 的g s t 材料部分十分依赖于电流