發(fā)布時(shí)間：2020-12-25 11:00

　　人工智能等數(shù)據(jù)密集型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)和處理介質(zhì)提出了極高的要求。作為利用材料相變產(chǎn)生的電阻差來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的PCRAM（Phase-change random access memory）因?yàn)槠渌哂械妮^好的性能優(yōu)勢(shì)有望應(yīng)用于非馮諾依曼計(jì)算架構(gòu)中。這就對(duì)PCRAM性能提出了更高的要求,不僅需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),同時(shí)還需要承擔(dān)計(jì)算任務(wù)。然而,目前的PCRAM器件在可逆相變過(guò)程中的電阻具有較大噪聲和漂移,從而影響其應(yīng)用。最近出現(xiàn)了一種新型的相變異質(zhì)結(jié)（Phase-change heterostructure,PCH）,通過(guò)在相變層Sb₂Te₃（ST）層中嵌入TiTe₂（TT）層,來(lái)限制元素遷移,極大改善了阻值穩(wěn)定性。PCH存儲(chǔ)器件具有較快的相變速度、較低的噪聲、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命、能穩(wěn)定保持多個(gè)阻態(tài)等一系列優(yōu)異的性能,應(yīng)用前景非常廣闊。但是為了進(jìn)一步提升其性能,保證實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用,需要以如下問(wèn)題的解決為前提。比如與其循環(huán)壽命緊密相關(guān)的失效機(jī)制、與其相變速度和低噪聲緊密相關(guān)的相變機(jī)制以及其具有多個(gè)中間態(tài)的原因等。這些微觀(guān)... 

【文章來(lái)源】： 董自麒 浙江大學(xué)

【文章頁(yè)數(shù)】：98 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

各種內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間

魷攏??浜笏?竦?的低電阻狀態(tài)也能保持不變。兩種狀態(tài)光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)相差巨大，可以實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，這是相變存儲(chǔ)材料的起源。1970年,世界上第一塊相變存儲(chǔ)單元成功研制，存儲(chǔ)容量為僅為256bits。它是由EnergyConversionDevices(ECD)公司與Intel的GordonMoore合作研制而成[35]。但是受限于半導(dǎo)體工業(yè)的水平，無(wú)法獲得容量較大且穩(wěn)定的相變存儲(chǔ)器件，所以未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。隨著近年半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及新發(fā)現(xiàn)性能更好的硫系化合物，這些都使相變存儲(chǔ)器的發(fā)展迎來(lái)了一個(gè)嶄新的時(shí)期。1.3.1相變存儲(chǔ)器原理圖1.2相變材料相變過(guò)程概括。（A）傳統(tǒng)蘑菇形PCM單元截面示意圖；(B)通過(guò)施加脈沖對(duì)PCM單元進(jìn)行編程和讀取，從而相應(yīng)地改變相變層溫度[36]Figure1.2SummaryofPCMoperation.(A)Cross-sectionalschematicoftheconventionalmushroom-typePCMcell.(B)PCMcellsareprogrammedandreadbyapplyingdifferentelectricalpulses[36].圖1.2為相變材料過(guò)程示意圖[36]。如圖(a)所示，電流通過(guò)頂部電極和加熱電極之間的相變材料。加熱電極與相變材料接觸的地方電流聚集導(dǎo)致形成一個(gè)蘑菇狀的可編程相變區(qū)域。PCM整個(gè)工作過(guò)程包括RESET（擦除，晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷�，電阻變大，�?duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為“0”）、SET（寫(xiě)入，非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫�，電阻變小，�?duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為“1”）和讀�。≧EAD）三種操作。如圖(b)所示，為了將PCM單元重置為非晶相，實(shí)現(xiàn)RESET操作，需要通過(guò)施加短時(shí)間（通常<50ns）的大電流脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。在這個(gè)過(guò)程中，電流所帶來(lái)的熱量擴(kuò)散必須足夠1.3相變存儲(chǔ)器(PhaseChangeMemory,PCM)

，實(shí)現(xiàn)SET操作，需要施加100ns–10μs的中等電流脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖使器件在結(jié)晶溫度和熔化溫度之間的溫度條件下（高于500-600K，低于Tm）對(duì)編程區(qū)域進(jìn)行退火。同時(shí)，脈沖的持續(xù)時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以使任何先前產(chǎn)生的非晶區(qū)完全結(jié)晶。這一過(guò)程通常比非晶化過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間，大約幾十到幾百納秒；為了讀取單元的狀態(tài)，在不干擾單元狀態(tài)的條件下，用一個(gè)較小的偏壓來(lái)測(cè)量電阻，因?yàn)榫B(tài)電阻較小，非晶態(tài)電阻較大，兩種狀態(tài)之間的電阻數(shù)值相差至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以通過(guò)所得到的電信號(hào)來(lái)判斷PCM所處的邏輯狀態(tài)[37]。圖1.3相變?cè)韴D[37]Figure1.3Phasechangeprinciple[37].此外，閾值電壓對(duì)于PCM是非常重要的參數(shù)。它是所施加的能夠引起電擊穿效應(yīng)的電壓值，與在較高電場(chǎng)中結(jié)構(gòu)的不可靠性有關(guān)[38][39]。突然增加的電導(dǎo)能夠保證PCM器件在較為合適的電壓條件下迅速并且有效地獲得足夠的能量重結(jié)晶。因此，對(duì)于能夠表現(xiàn)出閾值相變的材料非常適用于相變器件[40]。許多研究結(jié)果表明閾值電壓與器件的尺寸成線(xiàn)性相關(guān)[41][42]，由此能夠說(shuō)明決定電擊穿效應(yīng)的是與材料相關(guān)的閾值電場(chǎng)，而不是閾值電壓。如圖1.4a所示。但是當(dāng)器件尺寸低于10nm時(shí)，這條規(guī)律便不再適用[43]。有報(bào)道稱(chēng)，利用低于閾值電場(chǎng)加速結(jié)構(gòu)改變以調(diào)節(jié)閾值電壓，有利于控制和改善相變器件的性能[44][45][46][47]。許多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法被應(yīng)用于探究閾值轉(zhuǎn)變過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化，包括原位透射電子顯微鏡。Meister等人[48]在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中觀(guān)察到了空位形成。并且理論計(jì)算結(jié)果也能夠表

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：2937521