相變存儲(chǔ)器

前言

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，近幾年來隨著電子消費(fèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，存儲(chǔ)器的市場(chǎng)越來越大。2002年之前，我們主要從事鐵電存儲(chǔ)器的研究工作，1989年，國(guó)際上出現(xiàn)第一塊芯片后，鐵電存儲(chǔ)器發(fā)展放緩。當(dāng)時(shí)我們從國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)制定的存儲(chǔ)器的RORDMAP以及相變存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱PCRAM）在產(chǎn)業(yè)界的超常規(guī)發(fā)展中看到了其巨大的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)通過仔細(xì)研讀當(dāng)時(shí)有關(guān)的專利與文獻(xiàn)，看到了PCRAM是一個(gè)離實(shí)際應(yīng)用最近的納電子器件。那時(shí)根據(jù)國(guó)際的研究熱點(diǎn)與發(fā)展動(dòng)態(tài)，開始部署納米研究計(jì)劃，而納電子器件又是納米技術(shù)的重中之重，于是我們迅速組織了系列的實(shí)驗(yàn)論證。通過中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所組織的戰(zhàn)略研討，由封松林所長(zhǎng)決策，在2003年3月啟動(dòng)了中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程PCRAM的所級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目，我作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人開展了PCRAM的研究工作。PCRAM具有存儲(chǔ)單元尺寸小、非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是在器件特征尺寸的微縮方面的優(yōu)勢(shì)尤為突出，業(yè)界認(rèn)為在不久的將來存儲(chǔ)單元的體積將需要更小，而FLASH將遭遇此限制，但PCRAM在65nm節(jié)點(diǎn)后會(huì)有越來越大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，PCRAM被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一，在低壓、低功耗、高速、高密度和嵌入式存儲(chǔ)方面具有廣闊的商用前景。國(guó)際上對(duì)PCRAM技術(shù)非常重視，國(guó)際知名半導(dǎo)體公司如Inter、三星、意法半導(dǎo)體、飛利浦、國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司和艾必達(dá)等花大量人力和物力對(duì)此技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，目前，Inter與意法半導(dǎo)體組建的Numonyx公司及三星公司都增加了PCRAM芯片的產(chǎn)量。隨著三星與IBM等大公司先后加入此研究領(lǐng)域，我們進(jìn)一步看到了其重大的商業(yè)價(jià)值，同時(shí)也有了時(shí)間的緊迫感。在國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，在政府科技計(jì)劃的支持下，產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合、開拓思路、大膽創(chuàng)新，突破國(guó)外專利封鎖，走出適合我國(guó)國(guó)情的PCRAM芯片發(fā)展及應(yīng)用道路已成為當(dāng)務(wù)之急。為了解決工藝加工等技術(shù)“瓶頸”，我?guī)ьI(lǐng)研究人員與中芯國(guó)際集成電路制造（上海）有限公司（簡(jiǎn)稱中芯國(guó)際）的有關(guān)研究人員經(jīng)過深人的溝通了解，決定在中芯國(guó)際進(jìn)行前道流片研究，完成前道流片工藝后，我?guī)ьI(lǐng)研究人員打通了幾十道后續(xù)工藝，取得了比較滿意的測(cè)試結(jié)果。

內(nèi)容概要

本書依托國(guó)家“863”、“973”等項(xiàng)目，圍繞PCRAM研發(fā)所涉及的基礎(chǔ)科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)PCRAM的基本原理、PCRAM所用的材料體系、新型相變材料的理論與方法、PCRAM的關(guān)鍵單項(xiàng)工藝與集成工藝、器件單元結(jié)構(gòu)改進(jìn)、PCRAM所涉及的器件結(jié)構(gòu)與芯片模擬、測(cè)試、芯片設(shè)計(jì)與制造等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的階段性工作總結(jié)?！　”緯m合材料、微電子等相關(guān)專業(yè)的研究生、科技人員和教學(xué)人員使用。

書籍目錄

前言 第1章 緒論   1.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介   1.2 相變存儲(chǔ)器概述 　1.3 相變存儲(chǔ)器研究現(xiàn)狀 　1.4 相變存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢(shì) 　參考文獻(xiàn) 第2章 Ge2Sb2Te5相變材料及其改性 　2.1 Ge2Sb2Te5薄膜的制備與性能表征 　2.2 Ge2Sb2Te5薄膜的氮摻雜 　2.3 Ge2Sb2Te5薄膜的氧離子摻雜 　2.4 納米復(fù)合相變材料 　參考文獻(xiàn) 第3章 新型相變材料 　3.1 新型相變材料篩選理論與方法 　3.2 SiSbTe相變材料 　3.3 環(huán)境友好無碲SiSb相變材料 　參考文獻(xiàn) 第4章 相變存儲(chǔ)單元制備及關(guān)鍵工藝 　4.1 內(nèi)米加熱電極 　4.2 相變材料的干法刻蝕工藝 　4.3 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) 　4.4 電子束曝光工藝 　參考文獻(xiàn) 第5章 相變存儲(chǔ)器模擬 　5.1 相變存儲(chǔ)單元瀆、寫操作的器件模擬 　5.2 Hspice電學(xué)模擬 　參考文獻(xiàn) 第6章 新結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)單元 　6.1 基于夾在多晶鍺層間的GeSbTe PCRAM器件 　6.2 相變存儲(chǔ)器用三氧化鎢下加熱層 　6.3 相變存儲(chǔ)單元底電極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)——針狀電極 　6.4 橫向納米線結(jié)構(gòu) 　參考文獻(xiàn) 第7章 相變存儲(chǔ)器測(cè)試 　7.1 材料電性能表征測(cè)試 　7.2 器件電性能測(cè)試及操作特性測(cè)試 　7.3 工藝一致性測(cè)試及WAT 　7.4 產(chǎn)品測(cè)試 第8章 相變存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)與制造 　8.1 相變存儲(chǔ)器的整體結(jié)構(gòu) 　8.2 相變存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì) 　8.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 　8.4 基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì) 　8.5 控制邏輯設(shè)計(jì) 　8.6 相變存儲(chǔ)器芯片制造 　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1.3 MRAM簡(jiǎn)介磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（magnetic RAM，MRAM）是通過磁化方向的改變來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，并通過磁阻效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出。MRAM的發(fā)展與磁阻效應(yīng)的發(fā)展息息相關(guān)，從早期的利用率只有5％的AMR（anisotropic magnetoresistance effect）到后來巨磁阻效應(yīng)GMR（giant magnetoresistance）和隧穿磁阻效應(yīng)TMR（tunnel magnetoresistance effect）的相繼發(fā)現(xiàn)，磁阻效應(yīng)的利用率已達(dá)到25％左右，也使得磁存儲(chǔ)器的研發(fā)進(jìn)入一個(gè)全新的階段。目前，包括Motorola、IBM、HP、Infineon在內(nèi)的很多國(guó)際半導(dǎo)體公司都在積極研發(fā)磁存儲(chǔ)器產(chǎn)品，并已經(jīng)開發(fā)出1MB的磁存儲(chǔ)器。從原理上講，MRAM的設(shè)計(jì)是非常誘人的，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。理論上來說，鐵磁體是永久不會(huì)失效的，因此它的寫入次數(shù)也是無限的。在MRAM發(fā)展初期所使用的磁阻元件是被稱為巨磁阻（GMR）的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由上下兩層磁性材料、中間夾著一層非磁性材料的金屬層所組成。由于GMR元件需較大電流，這成為無法突破的難點(diǎn)，因此無法達(dá)到高密度存儲(chǔ)器的要求。與GMR不同的另一種結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)（MTJ）。與GMR元件的最大差異是。MTJ隔開兩層磁性材料的是絕緣層而非金屬層。MTJ元件是由磁場(chǎng)調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行來建立兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在反平行狀態(tài)時(shí)通過此元件的電子會(huì)受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值；而在平行狀態(tài)時(shí)電子受到的干擾較小得到相對(duì)低的阻值。MTJ元件通過內(nèi)部金屬導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來改變不同的阻值狀態(tài)，并以此記錄“0”與“1”的信號(hào)。   MRAM當(dāng)前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是磁致電阻過于微弱，兩個(gè)狀態(tài)之間的電阻只有30％－40％的差異，讀寫過程要識(shí)別出這種差異的話，還有一定的難度。不過，NVE公司于2003年11月宣布，其工程師研制成功迄今為止最高的自旋隧穿結(jié)磁阻（SDT）。該公司采用獨(dú)特材料，室溫下在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間使隧穿磁阻變化超過70％。NVE已向包括Motorola公司在內(nèi)的幾家致力商用化MRAM的公司授權(quán)使用其MRAM知識(shí)產(chǎn)權(quán)。IBM、Motorola和Infineon等公司的MRAM樣品已紛紛出爐，預(yù)計(jì)以后更多的MRAM商用產(chǎn)品將陸續(xù)面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1.Mb的MRAM芯片，據(jù)悉2003年10月該公司又向其他公司推出了采用0.18m工藝的4Mb MRAM樣片。Toshiba和NEC公司的聯(lián)合研究小組計(jì)劃采用0.25mm磁性隧道結(jié)與0.18m工藝相結(jié)合的方式，希望在幾年后實(shí)現(xiàn)256Mb MRAM的量產(chǎn)。Infineon和：IBM公司也在2003年6月聯(lián)合宣布，他們開發(fā)出的高速128kB MRAM采用0.181xm工藝制作，可為業(yè)界提供工藝尺寸最小的MRAM產(chǎn)品。

編輯推薦

《相變存儲(chǔ)器》是由科學(xué)出版社出版的。

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