【摘要】：相變存儲(chǔ)器以其讀寫速度快、功耗低、存儲(chǔ)密度高、抗疲勞特性好、與CMOS工藝兼容、抗輻射等特點(diǎn)成為下一代非易失性存儲(chǔ)器的有力競爭者。本文介紹了一款全功能相變存儲(chǔ)器芯片的設(shè)計(jì)和制備。 本文從芯片總體設(shè)計(jì)構(gòu)架著手,分析了陣列控制晶體管的設(shè)計(jì)原則,介紹了寫電路、讀電路、邏輯控制模塊和輸入/輸出端口控制模塊的工作原理和優(yōu)化方法。采用了一種偏置可調(diào)型的讀寫電路。采用SMIC代工廠的0.35微米和0.18微米工藝實(shí)現(xiàn)了該外圍電路IC設(shè)計(jì)。寫電路產(chǎn)生的RESET脈沖幅值范圍是0~4mA、SET脈沖幅值范圍是0~2 mA;讀電路將相變單元的電阻信息轉(zhuǎn)變成0、1邏輯信號(hào)輸出,讀出延時(shí)減小到9ns。 本文設(shè)計(jì)了相變單元結(jié)構(gòu)和制備工藝,并實(shí)現(xiàn)了CMOS電路和相變存儲(chǔ)單元陣列的有效集成。在傳統(tǒng)對(duì)稱型相變單元結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,本文提出了一種上、下接觸電極在水平方向上相切的非對(duì)稱T型結(jié)構(gòu)相變單元,采用了Ge2Sb2Te5和超晶格相變材料,并用剝離工藝實(shí)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)相變單元的制備。在CMOS后集成工藝設(shè)計(jì)中,本文分析了電路版圖和后工藝掩模板的配套設(shè)計(jì),總結(jié)了CMOS后工藝的難點(diǎn)及解決方法,給出了CMOS后集成相變存儲(chǔ)單元陣列五層結(jié)構(gòu)的顯微圖形。相變單元實(shí)現(xiàn)了非晶態(tài)、晶態(tài)間的可逆相變,RESET時(shí)間小于5ns。研制成功了全功能相變存儲(chǔ)器芯片。
【圖文】：

圖 1-1 工作電流和單元特征尺寸的關(guān)系示意圖變存儲(chǔ)器的工作原理存儲(chǔ)器（PCM）是以硫系化合物相變材料為儲(chǔ)存介質(zhì)，，利用電流產(chǎn)生變材料在晶態(tài)（SET 狀態(tài) 1，低阻）與非晶態(tài)（RESET 狀態(tài) 0，高阻變實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，靠測量電阻的變化來實(shí)現(xiàn)信息的讀出。非晶態(tài)的原子呈短程有序排列，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；多晶態(tài)的相變存儲(chǔ)材料的原子低阻狀態(tài)[6][11][12]。(寫 1)過程需要施加一個(gè)較長且幅值中等的脈沖，將有效相變區(qū)的硫系的溫度升高到熔化溫度以下、結(jié)晶溫度以上，使硫系化合物相變材料轉(zhuǎn)化為晶態(tài)。ET（寫 0）過程需要加一個(gè)窄而高的脈沖，將足夠多的電能轉(zhuǎn)化成熱區(qū)的硫系化合物相變材料的溫度升高到熔點(diǎn)以上，再經(jīng)過快速降溫，序狀態(tài)破壞，則晶態(tài)材料轉(zhuǎn)化成了非晶態(tài)。

研究現(xiàn)狀半導(dǎo)體公司對(duì)相變存儲(chǔ)器的發(fā)展投入了極廣泛的舞臺(tái)。三星公司已經(jīng)宣布制備出 變存儲(chǔ)器將會(huì)是 DRAM 和 FLASH 的取代術(shù)。從近年來的三星公司的專利和論文上下工藝階段了[13-18]。意法半導(dǎo)體也是相變數(shù)量和三星公司不相上下，它的相變存儲(chǔ)高校的科研實(shí)力[19-24]。飛利浦公司 2005料制備存儲(chǔ)器，性能良好。隨后英飛凌公的聯(lián)合開發(fā)。另外 IBM 公司、英飛凌公司儲(chǔ)器的聯(lián)合研發(fā)[25][26]。同時(shí)日立公司、瑞低寫入電流、電壓以減小功耗，這個(gè)研究了一種可以降低熱量散失減小功耗的新材和強(qiáng)勢投資，促進(jìn)了相變存儲(chǔ)器的快速發(fā)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TP333

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