复合载荷下相变存储器保持力特性及其机理研究

Phase Change Random Access Memory (PCRAM) is a semiconductor memory based on the chalcogenide material. PCRAM is fully compatible with the standard Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology, as long as adding three masks to achieve the PCRAM chip integration. PCRAM has the widely commercial prospects in the low voltage, low power, high speed, high-density and embeddable memory. PCRAM is considered the most promising next generation of alternative non-volatile Flash memory. Data retention is a measure of PCRAM test as an important characteristic of nonvolatile characteristics. The standard memory retention characteristics of the study is to use high temperature (125 °C to 185 °C) accelerated aging test, however, due to the temperature-dependent nature of the phase change storage material (for example, GST phase change materials in, at 180 °C in crystalline state), the standard method of high-temperature (Temperature >125 °C) accelerated the retention test may not be able to accurately predict the failure time of PCRAM. This project based on SMIC 40 nm standard CMOS process with precise voltage/current source control circuit of the integrated of 4 Mb PCRAM test chips, the data retention characteristics of PCRAM test are studied under a combined loads of the temperature of 25 °C to 125 °C and the electric field (voltage/current). And on the basis, the data retention mechanism is studied and the physical model for the PCRAM device is established.

相变存储器（PCRAM）是以硫系化合物为基础的半导体存储器。PCRAM在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商业前景。PCRAM被认为是最有希望替代FLASH的下一代非挥发性存储器。数据保持力是作为衡量PCRAM非挥发特性的一个重要特征。通常存储器保持力特性的研究是采用高温（125 ℃~185 ℃）加速老化测试，然而，由于相变存储器材料随温度而变的自然属性（以GST相变材料为例，在180°C相变材料发生结晶），高温的标准方法(温度>125 ℃)加速保持力测试无法准确预测PCRAM的失效时间。本项目基于中芯国际40nm标准CMOS工艺制备的具有精确电压/电流源控制电路的4Mb PCRAM芯片，采用在温度25 ℃~125 ℃和电场（电压/电流）复合载荷下研究PCRAM的保持力特性，在此基础上研究PCRAM的保持力机理并建立保持力的物理模型。

相变存储器（PCRAM）是以硫系化合物为基础的半导体存储器。PCRAM在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商业前景。数据保持力是作为衡量PCRAM非挥发特性的一个重要特征。通常存储器保持力特性的研究是采用高温（125°C ~185°C）加速老化测试，然而，由于相变存储器材料随温度而变的自然属性（以GST相变材料为例，在180°C相变材料发生结晶），高温的标准方法(温度>125°C)加速保持力测试无法准确预测PCRAM的失效时间。本项目基于40nm工艺的 PCRAM芯片，采用在温度25°C~125°C和电应力（电压/电流）共同作用下研究PCRAM的保持力特性，在此基础上研究PCRAM的保持力机理并建立保持力的物理模型。.在本项目中主要做了以下研究工作：1、建立了相变存储器保持特性温场和电场的在线测试系统，此平台温度可达实现了温度-50~200℃的测试范围，快速可控。2、提取了相变存储器的芯片参数，为下一步的保持特性研究提供了数据支持，并重点研究了TiN电极材料性能对相变存储器操作参数的影响。3、相变存储器的温度保持特性，器件的保持特性与操作电流有密切关系。4、相变存储单元温度场下的保持力失效模型，PCRAM器件单元的失效时间与初始态电阻相关。5、相变存储单元应力场下的保持力特性，在不同态下，电应力对单元电阻影响也不同，电阻态越大，读电压对其影响也越大。6、电应力对相变存储器单元状态的影响，现读操作时电压不宜超过0.7V；非晶态程度越高的单元，越容易受到读电压的影响加速自发向非晶态的转变。7、温度和电应力混合场作用下相变存储器单元状态的变化，温场和电应力作用的混合场中，较高的环境温度一方面加速了在电应力作用下单元状态发生的变化，另一方面也使得单元发生相变所需要的操作电流值降低。非晶态的相变存储器单元处于亚稳态，倾向于向原子排列有序能量更低的非晶态转变，温度升高能够加速这种自发转变。