相變存儲(chǔ)的原理#精選

1、1. 相變及相變存儲(chǔ)的原理：物質(zhì)在一種相態(tài)（或物態(tài)，簡稱相） 下?lián)碛袉渭兊幕瘜W(xué)組成和物理特質(zhì)。相變指一種物 質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，隨著物質(zhì)相的改變，其物理、化學(xué)性質(zhì)也隨之改變。同時(shí)相變是由于有序和無序兩種傾向的相互競爭，相互作用引起有序，熱運(yùn)動(dòng)造成無序，不同相態(tài)下的同一種物質(zhì)能量各異，所以相變的過程伴隨著能量的改變。通常氣體和液體分別只有一種相即氣相、液相。而對于固體，不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)不同，分屬不同的相，因此 同一固體可以有不同的相。如鐵有 a鐵、B鐵、丫鐵和S鐵4個(gè)固相；固態(tài)硫有單斜晶硫 和正交晶硫兩相；碳有金剛石和石墨兩相等。相變材料在不同相下呈現(xiàn)無序和有序兩種狀態(tài)，此時(shí)其

2、電阻值有明顯差異，所以可以利用這種差異來表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的“0”和“ 1 ”。在非晶態(tài)時(shí)材料表現(xiàn)為半導(dǎo)體性，其電阻值高；在晶態(tài)時(shí)，其電阻值低。 （Crespi L, Ghetti A, Bo niardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014,7:747-749.）2. 相變存儲(chǔ)器的工作原理和特點(diǎn)：相變存儲(chǔ)器（PCRAM是一種新型的非易失性存儲(chǔ)器，主要指基于硫系化合物薄膜的隨機(jī) 存儲(chǔ)器，利用電能（熱量）使相變材料在晶態(tài)（低

3、阻）與非晶態(tài)（高阻）之間的相互轉(zhuǎn)換來 實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和擦除，通過測量電阻的變化讀出信息。（Wuttig M, Raoux S. The scienceand technology of phase change materials. 10 DEC 2012, 15: 2455- 2465.）因?yàn)椴煌鄳B(tài)下物質(zhì)所含能量不同，所以從亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的晶態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過在其結(jié)晶溫度以上對其加熱足夠長時(shí)間使其充分結(jié)晶而得到；相反的過程即將晶態(tài)結(jié)構(gòu)加熱至熔化并使其快速冷卻，歷經(jīng)一個(gè)快速退火過程凝結(jié)而得到。寫入（RESET過程指給相變材料加一個(gè)時(shí)間短而強(qiáng)的電壓脈沖，電能轉(zhuǎn)變成熱能，使溫度升高到材料熔

4、點(diǎn)之上，經(jīng)歷一個(gè)快速的熱量釋放過程，材料的晶相（有序）遭到破壞，由多晶直接進(jìn)入非晶相；擦除（SET過程則指給相變材料加一個(gè)時(shí)間較長、強(qiáng)度中等的電壓脈沖，逐漸被加熱，相變材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并維持一定時(shí)間，使相變材料由無定形轉(zhuǎn)化為多晶相；數(shù) 據(jù)讀?。≧EAD是在不激發(fā)相變的條件下通過測量相變材料的電阻值來實(shí)現(xiàn)的，如下圖（b）。（Wong H.-S.P, Raoux S, Kim S , Liang J L, Reifenberg J P, Pajendran B, Asheghi M,Goodson K E. Phase Chage Memory. Proseeding

5、of IEEE, 2010, 12:2201-2227.)晶態(tài)a)Bottom electrodeTimeajrnn心 dluOJAregion相變存儲(chǔ)器具有非易失性，高速存儲(chǔ)、讀取( Atwood G. Phase-cha nge materials for electro nic memories. Scie nee vol. 321,2008, 210-211.)可循環(huán)使用，低功耗，元件尺寸小，工作溫度范圍廣(-55125 °C),抗輻照，抗振動(dòng)，抗電子干擾等特點(diǎn)。(Lai S, Lowrey T. Curre nt status of the phase cha nge me

6、mory and its future. IEDM Tech. Dig.,2003,10.1.1-4.)同時(shí)其制造工藝簡單且與傳統(tǒng)成熟的CMO工藝兼容。3. 相變存儲(chǔ)的技術(shù)基礎(chǔ)：20世紀(jì)60年代末，Sta nford R. Ovsh in sky基于其電子效應(yīng)理論(即材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的反光特性和電阻特 性)，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種硫系化合物(Te48As3oSi 12Geo),該種硫系化合物在電場作用下能夠在高阻的非晶態(tài)和低阻的晶態(tài)間高速并可逆的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到利用電阻差異存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的目的。 (Ovsh insky S R. Reversib

7、le electrical switch ing phe nomena in disorderedstructures. Phys. Rev. Lett.,1968,21:1450-1453.)1978年，Shanks和Craig Davis已成功研制出容量為1024bit的相變存儲(chǔ)器。此外，相變存儲(chǔ)材料還被成功應(yīng)用于相變光盤存儲(chǔ)器，基于此，科研工作者對相變機(jī)理理解更加深入并積累大量的材料研發(fā)基礎(chǔ)，對以后的PCRAIM Phase change random access memory )工程化研究有很大幫助。(Ohta T, Nishiuchi K, Narumi K, et al. Ove

8、rview and the futureof phase-change optical disk technology. Jpn. J. Appl. Phys., 2000, 39:770-774.)4. 相變存儲(chǔ)器性能的影響參數(shù)：首先，相變材料作為相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)，其性質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到器件性能的好壞。 所以就相變存儲(chǔ)材料而言，其晶化時(shí)間越短，SET操作時(shí)間就越短，有益于提高存儲(chǔ)器的速度；熔點(diǎn)低可以幫助存儲(chǔ)器節(jié)能；晶態(tài)和非晶態(tài)的電阻率差異越大，可提高存儲(chǔ)器的噪聲容限，或者說數(shù)據(jù)存儲(chǔ)越靈敏；材料的非晶相在常溫下越穩(wěn)定，其數(shù)據(jù)保存的時(shí)間越長， 所以可以通過選擇具有較高晶化溫度和較大晶化激活能的

9、相變材料；晶態(tài)和非晶態(tài)可逆轉(zhuǎn)的次數(shù)多，可保證相變存儲(chǔ)器的可擦除次數(shù)和抗疲勞性；相變前后體積變化小，可避免相變材料和與其接觸的電極材料發(fā)生剝離而導(dǎo)致器件失效；(宋志棠.相變存儲(chǔ)器與應(yīng)用基礎(chǔ).科學(xué)出版社,2013,1:9-10.)在納米尺寸仍保持良好的性能，滿足相變存儲(chǔ)器的高密度要求。(Wuttig M, YamadaN. Phase-change materials for rewriteable data storage. Nature Materials, 2007, 6:824. )其次， 相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)也至關(guān)重要。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，相變存儲(chǔ)器的相變區(qū)域越小，相 變所需的功耗就越低，所以研究

10、目的主要就是在縮小單元尺寸的同時(shí)減小相變區(qū)域的體積。 目前目前研究最為廣泛的為 T 型(蘑菇型)結(jié)構(gòu)，其由底電極、 相變材料層和頂級電極基本 組成。如上圖( a)( Matsui Y, et al. Ta2O5 Interfacial Layer between GST and W Plugenabling Low Power Operation of Phase Change Memories. Electron Devices Meet on g,2006.IEDM 06.1 nternatio nal, 2006) ?？?-Tre nch 結(jié)構(gòu)，相變材料沉積區(qū)域位于垂直的半金屬加熱電極和

11、卩-Trench溝槽之間，可以通過控制側(cè)墻厚度來控制相變材料的體積，從而獲得更小的加熱電極和相變材料接觸面積(宋志棠. 相變存儲(chǔ)器與應(yīng)用基礎(chǔ) .科學(xué)出版社,2013,1:12. )o Pore結(jié)構(gòu)，在電極上刻出絕緣層小孔，填充多晶硅。(Breitwisch M, et al. Novel Lithography-Independent Pore Phase Change Memory. VLSI Technology, 2007 IEEE Symposium on Digital Object Identifier, 2007)邊緣接觸型結(jié)構(gòu)，電極和相變材料的接觸面積由底電極的厚度決定。 (Ha, Y.H, et al. An edge contact type cell for Phase Change RAMfeaturing very low power consumption. VLSI Technology, 2003:175-176) 平面相變存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)( phase-change line memory ) , 通過控制相變材料的沉積厚度來獲得納 米尺寸的相變區(qū)域單元。 (Atlenboroug