上海交通人学博士学位论文相变存撩器多态存储飙理骚窕摘要随着信息产业的快速 发展人们对移动存储的需求急剧增长融于存储技术具有非辫发的存储特性因此被 广泛地用于具有移动存储功能的备种产品中然瑟援零要求较毫葱霉灭毫歪、笔入 速度遣镶楼潞量缀缀难逶瘦未來麓速、低功耗的存储要求襁遮种情况下相变存储 器的研究被提上丁议事H程相变存储器是利用硫系化合物在非品态和鼎态的电阻 率藏异实现双稳态的存储由于耀交存褚嚣爨露狭速敬写擦逮疫爨缀、毫密震雾壤 麓力、夷姆涎数据爨存褥性以及能够和H前的工艺兼容等优点被业界认为最有希望 替代闪存成为下一代非挥发存储器的童流存储技术妇餐搀簿存德器熬莓德蜜窿是 一令穰褥赣究憊漾憊逶豢鸯嚣糠方式髭够实凝这个冃标一种是缩小存储单元的尺 寸以便提高单傲面枳的存储熊力另外种方法就是多态存储所谓多态存储就怒在 同一个存储单元巾存储多个状态这样霹欲在甭缱、窍继萃元尺寸瓣摹挺下爨麓存镰 密度嚣蕊在提交存徳嚣兹磅变孚大部分的研究熏点放在如何减小存储单元尺寸上 因为这样既可以撼高存储密度乂可以降低过程的写电流本研究在糊变存储器的过 程寻求多态存储的解决方案莠在以下尼方垂进行了卷究、研究了单层相炎薄膜实现 多态存储的可能能对传统的棚变材料i献行改性制锯了掺朵的。
研究表明掺朵通过提 高的晶化温度和相交漫疫提楚了躲嚣滋稳定洼掺聚瓣彝缝合形成浚甥覆存在予的晶 界上束缚晶粒长人的同时也增强了非晶态、晶态相以殿晶态相的电阻率稳定一眺从 而提高了非晶态、品态相以及品怒相的电阻率区分度脊子用这三令竣态憩毫瓣霉分 别表薙举溺豹存德猿态实臻多态存撩知识水坝论文上海交通大学博士学位论文、 提出了将不同电阻率的相交薄膜叠加、形成的层叠薄膜具有多态存储的能力通过 软件分析了该层叠薄膜实现多态存储的原因是相同电流流过相变薄膜时在电阻率较 高的薄膜内产生较高的温升这样电阻率较高的薄膜能够在较小的电流卜•先于电阻率 低的薄膜发生晶化从而达到分层晶化的效杲多态存储就能够实现我们进一步通过 实验验证了层叠薄膜中的和能在和被分别晶化层叠相变薄膜的分层晶化效果明显层 叠相变薄膜的多态存储特性得到很好的证明研究了阻扌当层在层叠相变薄膜分层 晶化中所起的作用计算表明阻样层的引入有助于缓解相变薄膜品化瞬间对相邻相 变薄膜造成的电、热干•扰从而有利于分层晶化的实现通过实验我们也发现随着阻 挡层厚度的增加中间态的电阻“台阶"能够被延长阻挡层具有调节电阻“台阶"宽度的 作用这也间接证实了阻挡层的抗干扰作用。
关键词相变存储器、多态存储、掺杂、 层叠相变薄膜、阻挡层知识水坝论文上海交通大学博士学位论文耍置银嚣蕈避溉 海？ 玲一 》 一《 上瓣交通大学博士学位论文 禮?— —》-O 上海交通大学学位论文原创性声明本入郑重声明所呈交的学位论文是木人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已缀 注明引用的内容外本论文不惫含饪霉英继个人或集体奁经发表或摸警过兹俸鑫成 莱对本文豹研究做出赵耍贡献的个人和集体均己在文中以明确方式标明本人完 全意识裂本声臻兹法德结杲由本人承担学位论文作者签名痞太□期州年习口上海 交通大学学位论文版权使用授权书木学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学 位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允 许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文保密口在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密口请在以上方框 内打"学位论文作者签名移、肄日期一年月日指导教师签名妖勵二日期击诲月日上 海交通大学博士学位论文第一章绪论第一章绪论存储器在半导体产业中占有举足轻 重的地位。
自问III:以来半导体存储器的应用范围越来越广市场越来越人存储器按 其存储特性可以分为挥发型如和和非挥发型如两种类型所谓非挥发即在断电的情 况下写入的数据仍然能够保存随着移动通讯、存储卡和英特网的发展存储器的用 途正趋向多样化过去是以计算机为中心而近年来由于移动、数码相机等便携 式电子产品的发展用户携带人容量数据的机会增加其它的存储模式如磁盘、光盘等 无法满足其轻薄短小的耍求所以半导体非挥发存储技术具有广阔的市场并已经获得 了惊人的发展H前商用非挥发存储器的主流技术是基于浮栅的“闪存技术年已占 据菲挥发存储器市场的但是半导体业界预计在进入之后就会岀现瓶颈儿乎就是无 法突破的障碍鉴于这种情况冃前世界上儿乎所有电子和半导体行业巨头包括 等都在竞相研发继Z后的新一代非挥发存储器技术详情见齐公司网站更高的存储 密度、更低的功耗、更人的带宽、更短的延迟时间、更低的成本和更高的可靠性是 存储器的设计者和制造者永恒追求的目标而磁性存储器、铁电存储器和相变存储 器或者作为首选的下一代非挥发存储技术正好能够在很人程度上满足这些条件因 此近年來对新型非挥发存储器、和的研究日益成为工业界和学术界的研究热点非 挥发存储器在实际的应用中尽管、和都是将具有存储功能的存储器件和管的源漏相 连接但是它们各口的工作原理和性能优劣是不相同的。
以下对“闪存”和儿种新型非 挥发存储器的原理作简单介绍上海交通大学博士学位论文第一章绪论基于浮栅的 “闪存”技术“闪存”技术的关键是对传统的管进行改造如图所示在传统管栅极绝缘 氧化层的下面加入一层电荷陷阱层和一层隧穿氧化层即形成“闪存”的关键结构一浮 栅「闪存”的存储状态"态和"态主耍由电荷陷阱层中的电荷状态决定写入"态的 时候只要在栅极上施加一个较高的正电压在导电沟道中输运的部分电荷就会以隧穿 电流的方式进入浮栅层如图中的枷电流目闲存的结构示意口瞻当栅极的电压撤除 后由于浮栅层的两侧是绝缘层进入浮栅层的电荷将被“俘获”当擦除写入的"态即回 复"态时只要在栅极上施加一个反向高电压陷入“浮栅”层的电荷将以隧穿电流的形 式被驱赶出浮栅层如图中的电流对于“闪存”中存储状态的识别是根据管源、漏电 流的大小进行判定如图所示当“闪存”处于…态时由于被陷电荷对导电沟道宽度 和沟道内屯流的影响在施加相同栅屯压时管源、漏检测到的电流会比在"态时检测 到的电流小通过辨别检测到的电流大小能够区分存储的"态或"态由于“闪存" 是基于电荷的存储与释放因此“闪存”需更较高的写入电压写入速度也不快特别是 写入数据量较大的时候写入较慢的劣势表现得更加明显。
上海交通大学博士学位论 文第一章绪论除此之外“闪存”的循环使用寿命也受到很大的限制这些局限性使得 “闪存"技术很难适应未来高速、低功耗的存储要求闪存”的特性曲线州磁性 存储器胀棚磁性存储器是利用了存储介质的磁电阻效应实现双稳态的存储即在 外加磁场作用下曲于材料的磁矩发生变化而导致存储器的电阻在高阻和低阻Z间变 化当前在磁性存储器中主要研究的存储介质采用的是磁性隧道结的结构和对于其 它结构而言该结构能够较好地提高磁性存储器的信号质量获取较高的信息读取容 限如图所示磁性隧道结是在两层铁磁性金属薄膜之间夹上一层弱磁一鼬喇口 ％叠图磁性隧道结结构示需图争存储原理示意图蛋伪”怕一丁 ％上一”上海交通大学博士 学位论文第一章绪论绝缘薄膜的多层结构其中一侧金属薄层的磁矩是固定的而另一 侧金属薄层的磁矩则由外加的磁场方向决定当受到不同方向外加磁场影响的时候 绝缘层两侧铁磁层的磁矩会形成平行或者反平行的状态这样两种不同的磁矩排布 将导致不同的器件电阻值如图所示当两层薄膜的磁矩相反时磁性隧道结的电阻较 大此时电流沿着图的方向流过磁性隧道结将在器件两端产生较高的电压反Z器 件两端能够读到校低的电压磁性存储器就是依靠这种方式进行"态和"态的存储 与识别。
至于存储状态的改变则是依靠金屈导线产生的高强度磁场来实现的图中的 或者图中的磁性存储器具有较快的读写速度、能够获得较高的存储密度、具有较 低的读写电压而且是一种非破坏性的存储方式因此从理论上说磁性存储器的循环使 用寿命是无穷大的但是磁性存储器具有以下缺点、磁性隧道结较难和H前的工艺 兼容、在实际工艺过程中隧道结绝缘介质层厚度的均匀性很难控制因此大规模加工 的性能一致性不能保证、磁性隧道结两个存储状态Z问的电阻差异不图磁性存储嚣 的结构示意圉和实物透射电镜照片嘻大而进一步提高两个存储状态Z间的电阻差异 相当困难这也对存储状态的识别造成了一定困难上海交通人学博士学位论文第一章 绪论铁电存储器铁电存储器是基于铁电材料的两个不同极化方向而实现双稳态的存 储目前常用的铁电材料有以下几种系列、、、和图是诅旧心图较电材料存储原 理示意怵r嘻铁电材料双稳态存储示意图当外加电场作用于铁电材料的时候由于铁 电材料内•部原子位置发生变化材料的极化方向也相应地发生变化进而导致极化方向 由原先的初始状态变为"状态如果.。