全功能相变存储器芯片设计及后集成工艺研究

发布时间：2020-06-10 14:54

【摘要】：相变存储器以其读写速度快、功耗低、存储密度高、抗疲劳特性好、与CMOS工艺兼容、抗辐射等特点成为下一代非易失性存储器的有力竞争者。本文介绍了一款全功能相变存储器芯片的设计和制备。 本文从芯片总体设计构架着手,分析了阵列控制晶体管的设计原则,介绍了写电路、读电路、逻辑控制模块和输入/输出端口控制模块的工作原理和优化方法。采用了一种偏置可调型的读写电路。采用SMIC代工厂的0.35微米和0.18微米工艺实现了该外围电路IC设计。写电路产生的RESET脉冲幅值范围是0~4mA、SET脉冲幅值范围是0~2 mA;读电路将相变单元的电阻信息转变成0、1逻辑信号输出,读出延时减小到9ns。 本文设计了相变单元结构和制备工艺,并实现了CMOS电路和相变存储单元阵列的有效集成。在传统对称型相变单元结构基础上,本文提出了一种上、下接触电极在水平方向上相切的非对称T型结构相变单元,采用了Ge2Sb2Te5和超晶格相变材料,并用剥离工艺实现了该结构相变单元的制备。在CMOS后集成工艺设计中,本文分析了电路版图和后工艺掩模板的配套设计,总结了CMOS后工艺的难点及解决方法,给出了CMOS后集成相变存储单元阵列五层结构的显微图形。相变单元实现了非晶态、晶态间的可逆相变,RESET时间小于5ns。研制成功了全功能相变存储器芯片。
【图文】：

图 1-1 工作电流和单元特征尺寸的关系示意图变存储器的工作原理存储器（PCM）是以硫系化合物相变材料为储存介质，，利用电流产生变材料在晶态（SET 状态 1，低阻）与非晶态（RESET 状态 0，高阻变实现信息的存储，靠测量电阻的变化来实现信息的读出。非晶态的原子呈短程有序排列，呈现高阻状态；多晶态的相变存储材料的原子低阻状态[6][11][12]。(写 1)过程需要施加一个较长且幅值中等的脉冲，将有效相变区的硫系的温度升高到熔化温度以下、结晶温度以上，使硫系化合物相变材料转化为晶态。ET（写 0）过程需要加一个窄而高的脉冲，将足够多的电能转化成热区的硫系化合物相变材料的温度升高到熔点以上，再经过快速降温，序状态破坏，则晶态材料转化成了非晶态。

研究现状半导体公司对相变存储器的发展投入了极广泛的舞台。三星公司已经宣布制备出 变存储器将会是 DRAM 和 FLASH 的取代术。从近年来的三星公司的专利和论文上下工艺阶段了[13-18]。意法半导体也是相变数量和三星公司不相上下，它的相变存储高校的科研实力[19-24]。飞利浦公司 2005料制备存储器，性能良好。随后英飞凌公的联合开发。另外 IBM 公司、英飞凌公司储器的联合研发[25][26]。同时日立公司、瑞低写入电流、电压以减小功耗，这个研究了一种可以降低热量散失减小功耗的新材和强势投资，促进了相变存储器的快速发
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333

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本文编号：2706449