相变存储的原理

1. 相变及相变存储的原理：

物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。

相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.)

2. 相变存储器的工作原理和特点：

相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，主要指基于硫系化合物薄膜的随机存储器，利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。(Wuttig M, Raoux S. The science and technology of phase change materials. 10 DEC 2012, 15: 2455–2465.)因为不同相态下物质所含能量不同，所以从亚稳态的非晶态到稳定状态的晶态的转变是通过在其结晶温度以上对其加热足够长时间使其充分结晶而得到；相反的过程即将晶态结构加热至熔化并使其快速冷却，历经一个快速退火过程凝结而得到。写入（RESET）过程指给相变材料加一个时间短而强的电压脉冲，电能转变成热能，使温度升高到材料熔点之上，经历一个快速的热量释放过程，材料的晶相（有序）遭到破坏，由多晶直接进入非晶相；擦除（SET）过程则指给相变材料加一个时间较长、强度中等的电压脉冲，逐渐被加热，相变材料的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并维持一定时间，使相变材料由无定形转化为多晶相；数据读取（READ）是在不激发相变的条件下通过测量相变材料的电阻值来实现的，如下图(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 of IEEE, 2010, 12:2201-2227.)

晶态 非晶态

相变存储器具有非易失性，高速存储、读取（Atwood G. Phase-change materials for electronic memories. Science vol. 321, 2008, 210-211.) 可循环使用，低功耗，元件尺寸小，工作温度范围广（-55~125℃）,抗辐照,抗振动,抗电子干扰等特点。（Lai S, Lowrey T. Current status of the phase change memory and its future. IEDM Tech. Dig., 2003,10.1.1-4.）同时其制造工艺简单且与传统成熟的CMOS工艺兼容。

3. 相变存储的技术基础：

20世纪60年代末，Stanford R. Ovshinsky基于其电子效应理论（即材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性），就已经发现一种硫系化合物（Te48As30Si12Ge10），该种硫系化合物在电场作用下能够在高阻的非晶态和低阻的晶态间高速并可逆的转变，从而达到利用电阻差异存储二进制信息的目的。(Ovshinsky S R. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures. Phys. Rev. Lett.,1968,21:1450-1453.)

1978年，Shanks和Craig Davis已成功研制出容量为1024bit的相变存储器。此外，相变存储材料还被成功应用于相变光盘存储器，基于此，科研工作者对相变机理理解更加深入并积累大量的材料研发基础，对以后的PCRAM（Phase change random access memory）工程化研究有很大帮助。(Ohta T, Nishiuchi K, Narumi K, et al. Overview and the future of phase-change optical disk technology. Jpn. J. Appl. Phys., 2000, 39:770-774.)

4. 相变存储器性能的影响参数：

首先，相变材料作为相变存储器的存储介质，其性质优劣直接关系到器件性能的好坏。所以就相变存储材料而言，其晶化时间越短，SET操作时间就越短，有益于提高存储器的速度；熔点低可以帮助存储器节能；晶态和非晶态的电阻率差异越大，可提高存储器的噪声容限，或者说数据存储越灵敏；材料的非晶相在常温下越稳定，其数据保存的时间越长，所以可以通过选择具有较高晶化温度和较大晶化激活能的相变材料；晶态和非晶态可逆转的次数多，可保证相变存储器的可擦除次数和抗疲劳性；相变前后体积变化小，可避免相变材料和与其接触的电极材料发生剥离而导致器件失效；（宋志棠.相变存储器与应用基础.科学出版

社,2013,1:9-10.）在纳米尺寸仍保持良好的性能，满足相变存储器的高密度要求。（Wuttig M, Yamada N. Phase-change materials for rewriteable data storage. Nature Materials, 2007, 6:824.）

其次，相变存储器的结构也至关重要。相关数据表明，相变存储器的相变区域越小，相变所需的功耗就越低，所以研究目的主要就是在缩小单元尺寸的同时减小相变区域的体积。目前目前研究最为广泛的为T型（蘑菇型）结构，其由底电极、相变材料层和顶级电极基本组成。如上图（a）（Matsui Y, et al. Ta2O5 Interfacial Layer between GST and W Plug enabling Low Power Operation of Phase Change Memories. Electron Devices Meetong,2006.IEDM‘06. International, 2006） 。μ-Trench结构，相变材料沉积区域位于垂直的半金属加热电极和μ-Trench沟槽之间，可以通过控制侧墙厚度来控制相变材料的体积，从而获得更小的加热电极和相变材料接触面积（宋志棠.相变存储器与应用基础.科学出版社,2013,1:12.）。Pore 结构，在电极上刻出绝缘层小孔,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）边缘接触型结构，电极和相变材料的接触面积由底电极的厚度决定。(Ha, Y.H, et al. An edge contact type cell for Phase Change RAM featuring very low power consumption. VLSI Technology, 2003:175-176)平面相变存储结构（phase-change line memory）,通过控制相变材料的沉积厚度来获得纳米尺寸的相变区域单元。(Atlenborough K, et al. Phase change memory line concept for embedded memory applications. Electron Devices Meeting (IEDM), 2010 IEEE International, 2010:29.2.1-29.2.4)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oauh.html