非挥发相变存储器基础研究

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　　随着移动通讯、存储卡和英特网的高速发展，对存储器的存储密度、读写速度、功耗和成本提出了越来越高的要求。存储器可以分为挥发型和非挥发型两种。所谓非挥发型，即在断电的情况下仍然能够保存数据。目前商用非挥发存储器的主流技术是基于浮栅的“闪存”技术（FLASH memory）。但是半导体业界预估，FLASH在进入65nm之后就会出现瓶颈，45nm几乎就是无法突破的障碍。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Intel, IBM, Motorola, Sony, NEC, Samsung等都在竞相研发继FLASH以后的新一代非挥发存储器技术，如磁性存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）和相变存储器（PRAM）。近几年来，越来越多的研究结果表明，相变存储器是最有希望的下一代非挥发存储器。

: w: \7 ^9 V  t$ M3 T1 R/ _　　要使相变存储器真正代替目前广泛使用的闪存存储技术，必需解决其产业化进程中的几个瓶颈问题，如降低擦除（RESET）电流、增加存储密度、提高循环使用寿命和读写速度等，而其中降低擦除电流尤为迫切。针对这一挑战，我们相变存储器研究组选择了降低擦除电流和增加存储密度作为我们的研究目标。降低擦除电流的主要手段是改变器件结构和记录介质。要大幅度增加存储密度就得实现多态存储或大大减小存储单元尺寸。我们的研究主要集中在改变存储介质的性能和实现多态存储的探索。
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　　为了降低擦除电流，研究集中在提高传统介质的晶化电阻率和研发新的存储介质上，使新的介质具有高的晶化电阻率和其它优越的存储性能。我们在传统的存储介质Ge2Sb2Te5薄膜中掺杂Si以改善薄膜的转变特性。详细研究了Si掺杂对薄膜的结构、结晶特性和电学特性的影响。并以掺杂Si的Ge2Sb2Te5薄膜存储介质制备了相变存储器件。测试表明在大尺寸的器件结构中存储介质能实现高、低阻态之间的反复转变，而传统的Ge2Sb2Te5薄膜介质在这大尺寸器件结构中不能实现反复转变。在研究Si掺杂Ge2Sb2Te5薄膜的基础上，我们研究了以Si完全代替传统薄膜中的Ge，开发了新型的Si-Sb-Te相变存储薄膜介质。并对该材料体系的结构、结晶和电学特性进行了详细的研究，用以制备了相变存储器件。测试结果证明：这一新的存储薄膜介质能在大尺寸的器件结构中成功实现高、低阻态之间的反复转变；与常用的存储介质（Ge2Sb2Te5薄膜）相比，采用Si-Sb-Te薄膜作为存储介质可以显著降低器件的RESET电流和功耗。

; s7 @7 o7 g! {% Z  p# v& x) c  P) ^在同一单元上实现多态存储的可能性有二种：即单层和多层相变薄膜法。前者用不同的晶态电阻和不同的晶态分数法来实现，但该法的局限性很大。多层法可通过不同成分的薄膜介质或同一成分不同加热器层厚度的方法来实现。为了实现多态存储，我们进行了相关的基础研究，即通过建立热学模型及模拟计算研究其可行性。首先提出在相变存储介质中间插入加热层以实现晶化非晶化所需的温度变化需求和降低RESET电流的方法。在此提出一种微加热器机制模型，用该模型解释了GST薄膜搀杂Si元素后可以发生非晶化转变的现象，且给出了RESET电流与Si搀杂浓度的关系。最后我们建立了一种可以在RESET过程中实现多态存储的新型多层结构模型，该模型采用多层相变材料各自包含厚度不同的独立加热层，并用隔热层相互隔离的方法，在RESET过程中通过控制电流大小得到稳定的多态电阻值，从而可以实现多态存储。同时我们用实验证明了这种多层结构实现多态存储的可能性。

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提出在相变存储介质中间插入加热层以实现晶化非晶化所需的温度变化需求和降低RESET电流的方法。

8 r) D, p7 g' s/ L" F7 C0 y这种方法在理论上似乎可行，但是实际上降低reset电流在技术上是一个很难攻克的难关