用于相變存儲(chǔ)器的新型器件和新型相變材料研究.pdf

1、隨著目前非揮發(fā)存儲(chǔ)器的主要代表Flash在存儲(chǔ)器市場(chǎng)大行其道，作為下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器的候選者們也成為了人們當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)之一。其中主要的候選者有：磁存儲(chǔ)器(MRAM)，鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)，電阻存儲(chǔ)器(RRAM)和相變存儲(chǔ)器(PRAM)。其中，相變存儲(chǔ)器以單元面積小、與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容性好、易于繼續(xù)縮小、具有多值編寫能力以及抗干擾抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為有望取代Flash的佼佼者。Intel甚至在2006年第21屆非揮發(fā)

2、性半導(dǎo)體內(nèi)存學(xué)會(huì)上稱“32nm以后是相變存儲(chǔ)器的時(shí)代”。 目前，PRAM面臨的主要問題是Reset操作電流過大，導(dǎo)致CMOS驅(qū)動(dòng)電路需要更大尺寸的柵寬，并導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路占用了更大的芯片面積，這是不希望見到的。通常的解決辦法就是減小相變材料和存儲(chǔ)電路的特征尺寸，或者提高相變材料的電阻率，或者使用二極管制造驅(qū)動(dòng)管。然而由于第一和第三種方法需要在成本更高的工藝條件下進(jìn)行，所以對(duì)于現(xiàn)有的存儲(chǔ)器生產(chǎn)并沒有很大的優(yōu)勢(shì)。 針對(duì)目前PRA

3、M的問題，本文提出了一種全新的存儲(chǔ)器件概念，它可以實(shí)現(xiàn)低成本多值存儲(chǔ)。這種基于薄膜晶體管的存儲(chǔ)單元，通過半導(dǎo)體層部分材料的相變來改變溝道長(zhǎng)度從而實(shí)現(xiàn)多植存儲(chǔ)：而且，由于薄膜晶體管不需要占用硅表面，所以可以使用層疊立體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，而將有限的硅襯底面積讓給外圍電路。同時(shí)，本文也創(chuàng)新性的提出一種提高相變材料晶態(tài)電阻率的方法，通過將Si、N共摻到GST中，形成了Si-N鍵，增大了載流子的散射率，進(jìn)而大大提高了相變材料的晶態(tài)電阻，有利于

4、降低Reset電流。 上述結(jié)果，使得相變存儲(chǔ)器中高密度存儲(chǔ)和低成本生產(chǎn)更易實(shí)現(xiàn)，這將使得相變存儲(chǔ)器在今后的非揮發(fā)存儲(chǔ)市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。 本文共分5章。第1章介紹相變材料的發(fā)展和相變存儲(chǔ)器的由來。第2章具體介紹相變存儲(chǔ)器的各種結(jié)構(gòu)，對(duì)相變存儲(chǔ)器整體進(jìn)行評(píng)估，包括其目前的主要問題和未來發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)將它和其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手進(jìn)行全面比較。第3章集中闡述相變存儲(chǔ)器的高密度(多值)存儲(chǔ)方案，包括方案的提出，熱學(xué)模擬分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，以及