相变异质结（PCH）存储材料显微结构与原位电学研究
发布时间：2020-12-25 11:00
人工智能等数据密集型产业的发展,对数据的存储介质和处理介质提出了极高的要求。作为利用材料相变产生的电阻差来进行数据存储的PCRAM（Phase-change random access memory）因为其所具有的较好的性能优势有望应用于非冯诺依曼计算架构中。这就对PCRAM性能提出了更高的要求,不仅需要进行数据存储,同时还需要承担计算任务。然而,目前的PCRAM器件在可逆相变过程中的电阻具有较大噪声和漂移,从而影响其应用。最近出现了一种新型的相变异质结（Phase-change heterostructure,PCH）,通过在相变层Sb2Te3（ST）层中嵌入TiTe2（TT）层,来限制元素迁移,极大改善了阻值稳定性。PCH存储器件具有较快的相变速度、较低的噪声、较长的循环寿命、能稳定保持多个阻态等一系列优异的性能,应用前景非常广阔。但是为了进一步提升其性能,保证实现其大规模应用,需要以如下问题的解决为前提。比如与其循环寿命紧密相关的失效机制、与其相变速度和低噪声紧密相关的相变机制以及其具有多个中间态的原因等。这些微观...
【文章来源】： 董自麒 浙江大学
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种内存和存储技术的访问时间
鱿拢??浜笏?竦?的低电阻状态也能保持不变。两种状态光学和电学性质相差巨大，可以实现信息存储，这是相变存储材料的起源。1970年,世界上第一块相变存储单元成功研制，存储容量为仅为256bits。它是由EnergyConversionDevices(ECD)公司与Intel的GordonMoore合作研制而成[35]。但是受限于半导体工业的水平，无法获得容量较大且稳定的相变存储器件，所以未能实现大规模商业化。随着近年半导体工业的迅猛发展，以及新发现性能更好的硫系化合物，这些都使相变存储器的发展迎来了一个崭新的时期。1.3.1相变存储器原理图1.2相变材料相变过程概括。（A）传统蘑菇形PCM单元截面示意图；(B)通过施加脉冲对PCM单元进行编程和读取，从而相应地改变相变层温度[36]Figure1.2SummaryofPCMoperation.(A)Cross-sectionalschematicoftheconventionalmushroom-typePCMcell.(B)PCMcellsareprogrammedandreadbyapplyingdifferentelectricalpulses[36].图1.2为相变材料过程示意图[36]。如图(a)所示，电流通过顶部电极和加热电极之间的相变材料。加热电极与相变材料接触的地方电流聚集导致形成一个蘑菇状的可编程相变区域。PCM整个工作过程包括RESET（擦除，晶相转变为非晶相，电阻变大，对应计算机语言为“0”）、SET（写入，非晶相转变为晶相，电阻变小，对应计算机语言为“1”）和读取（READ）三种操作。如图(b)所示，为了将PCM单元重置为非晶相，实现RESET操作，需要通过施加短时间（通常<50ns）的大电流脉冲来实现这一目的。在这个过程中，电流所带来的热量扩散必须足够1.3相变存储器(PhaseChangeMemory,PCM)
，实现SET操作，需要施加100ns–10μs的中等电流脉冲来实现。脉冲使器件在结晶温度和熔化温度之间的温度条件下（高于500-600K，低于Tm）对编程区域进行退火。同时，脉冲的持续时间必须足够长，以使任何先前产生的非晶区完全结晶。这一过程通常比非晶化过程需要更长的时间，大约几十到几百纳秒；为了读取单元的状态，在不干扰单元状态的条件下，用一个较小的偏压来测量电阻，因为晶态电阻较小，非晶态电阻较大，两种状态之间的电阻数值相差至少两个数量级，因此可以通过所得到的电信号来判断PCM所处的逻辑状态[37]。图1.3相变原理图[37]Figure1.3Phasechangeprinciple[37].此外，阈值电压对于PCM是非常重要的参数。它是所施加的能够引起电击穿效应的电压值，与在较高电场中结构的不可靠性有关[38][39]。突然增加的电导能够保证PCM器件在较为合适的电压条件下迅速并且有效地获得足够的能量重结晶。因此，对于能够表现出阈值相变的材料非常适用于相变器件[40]。许多研究结果表明阈值电压与器件的尺寸成线性相关[41][42]，由此能够说明决定电击穿效应的是与材料相关的阈值电场，而不是阈值电压。如图1.4a所示。但是当器件尺寸低于10nm时，这条规律便不再适用[43]。有报道称，利用低于阈值电场加速结构改变以调节阈值电压，有利于控制和改善相变器件的性能[44][45][46][47]。许多先进的实验方法被应用于探究阈值转变过程中的微结构变化，包括原位透射电子显微镜。Meister等人[48]在相转变过程中观察到了空位形成。并且理论计算结果也能够表
【参考文献】：
期刊论文
[1]光存储技术发展趋势[J]. 郑穆. 电子技术与软件工程. 2018(04)
[2]磁记录与磁存储器件应用[J]. 田济源. 中国新通信. 2018(02)
[3]FIB-SEM双束技术简介及其部分应用介绍[J]. 付琴琴,单智伟. 电子显微学报. 2016(01)
本文编号：2937521
【文章来源】： 董自麒 浙江大学
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种内存和存储技术的访问时间
鱿拢??浜笏?竦?的低电阻状态也能保持不变。两种状态光学和电学性质相差巨大，可以实现信息存储，这是相变存储材料的起源。1970年,世界上第一块相变存储单元成功研制，存储容量为仅为256bits。它是由EnergyConversionDevices(ECD)公司与Intel的GordonMoore合作研制而成[35]。但是受限于半导体工业的水平，无法获得容量较大且稳定的相变存储器件，所以未能实现大规模商业化。随着近年半导体工业的迅猛发展，以及新发现性能更好的硫系化合物，这些都使相变存储器的发展迎来了一个崭新的时期。1.3.1相变存储器原理图1.2相变材料相变过程概括。（A）传统蘑菇形PCM单元截面示意图；(B)通过施加脉冲对PCM单元进行编程和读取，从而相应地改变相变层温度[36]Figure1.2SummaryofPCMoperation.(A)Cross-sectionalschematicoftheconventionalmushroom-typePCMcell.(B)PCMcellsareprogrammedandreadbyapplyingdifferentelectricalpulses[36].图1.2为相变材料过程示意图[36]。如图(a)所示，电流通过顶部电极和加热电极之间的相变材料。加热电极与相变材料接触的地方电流聚集导致形成一个蘑菇状的可编程相变区域。PCM整个工作过程包括RESET（擦除，晶相转变为非晶相，电阻变大，对应计算机语言为“0”）、SET（写入，非晶相转变为晶相，电阻变小，对应计算机语言为“1”）和读取（READ）三种操作。如图(b)所示，为了将PCM单元重置为非晶相，实现RESET操作，需要通过施加短时间（通常<50ns）的大电流脉冲来实现这一目的。在这个过程中，电流所带来的热量扩散必须足够1.3相变存储器(PhaseChangeMemory,PCM)
，实现SET操作，需要施加100ns–10μs的中等电流脉冲来实现。脉冲使器件在结晶温度和熔化温度之间的温度条件下（高于500-600K，低于Tm）对编程区域进行退火。同时，脉冲的持续时间必须足够长，以使任何先前产生的非晶区完全结晶。这一过程通常比非晶化过程需要更长的时间，大约几十到几百纳秒；为了读取单元的状态，在不干扰单元状态的条件下，用一个较小的偏压来测量电阻，因为晶态电阻较小，非晶态电阻较大，两种状态之间的电阻数值相差至少两个数量级，因此可以通过所得到的电信号来判断PCM所处的逻辑状态[37]。图1.3相变原理图[37]Figure1.3Phasechangeprinciple[37].此外，阈值电压对于PCM是非常重要的参数。它是所施加的能够引起电击穿效应的电压值，与在较高电场中结构的不可靠性有关[38][39]。突然增加的电导能够保证PCM器件在较为合适的电压条件下迅速并且有效地获得足够的能量重结晶。因此，对于能够表现出阈值相变的材料非常适用于相变器件[40]。许多研究结果表明阈值电压与器件的尺寸成线性相关[41][42]，由此能够说明决定电击穿效应的是与材料相关的阈值电场，而不是阈值电压。如图1.4a所示。但是当器件尺寸低于10nm时，这条规律便不再适用[43]。有报道称，利用低于阈值电场加速结构改变以调节阈值电压，有利于控制和改善相变器件的性能[44][45][46][47]。许多先进的实验方法被应用于探究阈值转变过程中的微结构变化，包括原位透射电子显微镜。Meister等人[48]在相转变过程中观察到了空位形成。并且理论计算结果也能够表
【参考文献】：
期刊论文
[1]光存储技术发展趋势[J]. 郑穆. 电子技术与软件工程. 2018(04)
[2]磁记录与磁存储器件应用[J]. 田济源. 中国新通信. 2018(02)
[3]FIB-SEM双束技术简介及其部分应用介绍[J]. 付琴琴,单智伟. 电子显微学报. 2016(01)
本文编号：2937521
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