相变存储器失效机理及工艺优化研究
相变储能材料的研究及应用_张静
相变储能材料的研究及应用张 静,丁益民,陈念贻(上海大学化学系熔盐化学研究室,上海 200436)摘 要:综述了相变储能材料的研究进展和实际应用。
介绍了相变材料的分类以及各类相变材料的性能、储能机理和优缺点;介绍了一些新型的相变材料,并结合实例探讨了相变材料在太阳能利用、建筑节能等领域的应用;展望了未来相变材料的发展方向和应用前景。
关键词:相变材料;热能储存;温度控制;太阳能中图分类号:TK 02 文献标识码:A 文章编号:1008-858X(2005)03-0052-060 前 言相变过程一般是一等温或近似等温过程,相变过程中伴有能量的吸收或释放,这部分能量称为相变潜热,利用相变过程的这一特点开发了许多相变储能材料。
与显热储能材料相比,潜热储能材料不仅能量密度较高,而且所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理。
另外,它还有一个很大的优点,即这类材料在相变储能过程中,材料近似恒温,可以以此来控制体系的温度。
利用储能材料储能是提高能源利用效率和保护环境的重要手段之一,可用于解决热能供给与需求失配的矛盾,在能源、航天、军事、农业、建筑、化工、冶金等领域展示出十分广泛和重要的应用前景,储热材料的研究目前已成为世界范围内的研究热点。
相变储能材料的相变形式一般可分为四类:固)))固相变、固)))液相变、液)))气相变和固)))气相变。
由于后两种相变过程中有大量气体,相变物质的体积变化很大,因此,尽管这两类相变过程中的相变潜热很大,但在实际应用中很少被选用。
与此相反,固)))固相变由于体积变化小,对容器要求低(容器密封性、强度无需很高),往往是实际应用中希望采用的相变类型。
有时为了应用需要,几种相变类型可同时采用。
相变储能材料按相变温度的范围分为高温(大于250e )、中温(100~250e )和低温(小于100e )储能材料;按材料的组成成分又可分为无机类、有机类(包括高分子类)及无机)))有机复合相变储能材料。
相变储能材料及其应用研究进展
相变储能材料及其应用研究进展陈颖;姜庆辉;辛集武;李鑫;孙兵杨;杨君友【摘要】人类在面临化石能源枯竭的同时,对能量的利用率依然还停留在较低的水平.因此,在大力发展新能源的同时,着力研发节能环保新材料新技术具有十分重要的意义.相变材料(phase-change materials,PCM)是一种节能环保的储能材料,它在蓄热与温控等领域具有大规模商业应用的潜力.本文首先对相变储能材料的基本特征、工作原理以及分类等方面作了简要的介绍;并就相变储能材料在温控与蓄热等领域的应用与发展情况进行了具体的分析,指出了PCM的性能是制约其深入广泛应用的主要技术障碍.在此基础上,详细评述了PCM存在的主要问题以及针对这些问题开展的相关研究工作和最新发展动态,指出通过功能复合等新技术优化材料性能、设计新材料体系、拓展新的应用领域将是相变储能材料未来的主要发展方向.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)007【总页数】10页(P1-10)【关键词】相变材料;相变储能;热管理;蓄热;节能【作者】陈颖;姜庆辉;辛集武;李鑫;孙兵杨;杨君友【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TK11随着全球人口的快速增长和经济发展，石油天然气等不可再生能源日益枯竭，能源危机日趋严重[1]。
然而，在能源的开采与利用过程中，能量利用率低的问题却依然没有有效的解决办法。
例如，燃油汽车中，燃料中50%以上的能量以废热的形式散失到空气中[2]；工业生产中，大量的热量以余热的形式耗散[3]。
能量以热的形式散失到空气，在造成资源损耗的同时，引起全球气候变暖。
失效分析技术PPT学习教案
➢ 失效物理模型：
➢ 1、应力－强度模型（适于瞬间 失效）
➢ 失效原因：应力>强度
➢ 例如：过电应力（EOS）、静电 放电（ESD）、闩锁（Latch up） 等。
➢ 2、应力－时间模型 （适于缓慢
退化）
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➢ 失效原因：应力的时间积累效应，
3、温度应力－时间模型 反应速度符合下面的规律
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1.6无损失效分析技术
➢ 定义：不必打开封装对样品进行失效定位和失效 分析的技术。
➢ 无损失效分析技术：X射线透视技术和Biblioteka 射式扫 描声学显微技术（C－SAM）
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表2、X射线透视技术和反射式扫描声学显微术（C－SAM）的比较
名称
应用优势
X射线透视 以低密度区为背景， 技术(X-Ray) 观察材料的高密度区
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•1、某芯片的电压衬度像
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•2、应用电压衬度像做失效分析实例
➢ 现象描述：4096位MOS存储器在电测试时发现，从一条字线可以 存取的64个存储单元出现故障，现只能存储“0”信号。
➢ 初步推断：译码电路失效，译码器与字线之间开路，0V或12V的 电源线短路。
➢ 电压衬度像分析：照片中发现一处异常暗线，说明其电压为12V， 而有关的译码器没有异常，说明字线与12V电源之间存在短路。由 二次电子像证实，在铝条字线与多晶硅电源线之间的绝缘层中有 一个小孔。
金属 介质
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1.7.3去除金属化层技术
➢ 用途： 观察CMOS电路的氧化层针孔和Al－Si互 溶引起的PN结穿钉现象，以及确定存储器 的字线和位线对地短路或开路的失效定位
相变存储器
相变存储器（phase change memory）,简称PCM，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。
初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生.其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态.例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相)，液态水（液相）以及固态水（固相）。
物质从一种相变成另外一种相的过程叫做…相变‟例如水从液态转化为固态。
在很多物质中相变不是大家想象的只有气，液，固，三相那么简单。
例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。
所以我们称之为相变存储器。
相变材料制作的相变内存无论是在专利布局、芯片试产及学术论文上开始有优异的表现，已开始商业应用，其cell size于201 1年将小于NOR Flash，未来可望大规模取代NOR Flash市场。
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。
Int el于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPRO M和EEPROM一统天下的局面。
紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。
但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。
许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。
而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。
N OR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
相变存储器的研究进展
相变存储器的研究进展随着科技的不断进步和人类对于信息存储的需求不断增加，电子存储器也在不断地进行升级。
其中，相变存储器是一个备受关注的领域，它具有着存储密度高、速度快、可擦写等优点，有望成为未来存储技术发展的重要方向。
本文将对相变存储器的研究进展进行探讨。
相变存储器的工作原理相变存储器利用了物理上的相变过程，实现对信息的存储。
相变存储器中的存储单元由一定数量的材料组成，这些材料能够在经过电场或者光照的作用下，进行相变。
相变过程中，材料的特性会发生较大的变化，并且相变过程具有较高的可逆性。
因此，在相变存储器中，不同相态的状态可以被用作信息的存储。
具体来说，相变存储器中的存储单元可以缩小到10纳米级别，这意味着它可以在物理尺寸和存储密度之间取得相对的平衡。
相变存储器中的存储单元具有较快的读写速度，一般在纳秒级别，因此相比于传统的存储器，相变存储器更适合于高速读写任务。
同时，相变存储器的寿命较长，其存储信息的可靠性也较高。
研究进展和挑战随着相变存储器的研究深入，相关的研究成果也层出不穷。
在新材料的发掘方面，研究人员不断地寻找新的相变材料和更好的电子材料，以提高相变存储器的性能。
同时，在相变存储器的制造和优化方面，也有很多新的进展。
例如，近年来在相变存储器中引入其他功能元素，如变压器和电容器等，可以更好的实现其具有的存储、计算与通讯等多种功能。
同时，研究人员也在探讨如何通过控制相变体系和局部结构调控材料特性，从而达到更好的导电性和抗微观缺陷的性能。
但是，相变存储器的发展仍存在一些挑战。
其中最主要的问题是其可靠性和功耗问题。
由于相变材料内部的结构会随着电流密度的提高而受到破坏，所以相变存储器的可靠性一直是一个重要的问题。
同时，相变存储器的功耗问题也不容忽视。
这主要是因为相变存储器需要较高的电流密度来实现相变，因此其功耗较高。
未来展望与结论相比于传统存储器，相变存储器具有更高的存储密度、更快的读写速度和更好的可擦写性，而这些也正是当前高密度信息存储所需的。
相变存储器的原理和发展
相变存储器的原理和发展相变存储器，作为一种新型存储器，正在逐渐成为人们关注的热门话题。
相比于传统的存储器技术，相变存储器由于具有高密度、高可靠性、低功耗等特点，正在逐渐走向成熟。
在这篇文章中，我们将会探讨相变存储器的原理和发展。
一、相变存储器的原理相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是一种通过将物质的状态从一个相转变到另一个相来实现存储和擦除信息的存储器。
它具有非易失性、快速读写、高密度、低功耗等优点，而且不会受到电磁干扰的影响。
相变存储器的基本原理是利用材料的相变来存储信息。
在相变存储器中，通过在材料中通入电流，可以将材料由非晶态（amorphous）转变为结晶态（crystalline），或者由结晶态转变为非晶态，从而实现信息的存储和擦除。
相变存储器由一个导电介质薄膜和一层相变材料薄膜组成。
当通入电流时，相变薄膜的温度会上升，从而引起相变。
相变后，材料的导电性和抗电性会发生明显变化，这种变化被采集和存储在导电介质薄膜中。
从而实现了信息的存储。
相变存储器的最大特点是它可以在非常短的时间内进行快速的写和读操作。
相变薄膜的相变速度很快，写入时间只需要几十纳秒，读取时间也只需要几纳秒。
同时，相变存储器还具有非常高的可靠性，因为相变材料可以进行无限次的相变。
二、相变存储器的发展相变存储器的历史可以追溯到上世纪60年代，但要真正进入实用化的阶段还有很长的路要走。
在过去的几十年中，相变存储器的研究一直处于实验室阶段。
直到近年来，随着存储技术的进一步发展，相变存储器才开始逐渐受到人们的关注。
在过去的几年中，相变存储器已经从实验室阶段进入了产品研发阶段。
英特尔公司已经推出了一款基于相变存储器的高速固态硬盘（SSD），号称可以提供比传统硬盘更快的读写速度和更高的可靠性。
同时，三星、东芝、半导体制造商Micron等公司也在积极推进相变存储器技术的研发。
相比于传统的NAND闪存存储器，相变存储器具有更高的存储密度和更快的访问速度。
相变存储器
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质；
● 1968年，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变 化； ● 1970年，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
1 0
2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。
失效分析技术分享
分析技術分享張鑫2010/07样品制备主要步骤：1、打开封装2、去钝化层3、去除金属化层4、剖切面5、染色打开封装机械开封（磨，撬，加热等方法）主要针对金属封装的器件。
化学开封（磨，钻，发烟硝酸、发烟硫酸腐蚀法等）主要针对塑料封装的器件。
去除塑料封装机器(decapsulator)去钝化层技术1为什么要去除钝化层？2去除钝化层的方法：化学腐蚀（各向同性）等离子腐蚀PIE （各向同性）反应离子刻蚀RIE（各向异性）各向同性腐蚀和各向异性腐蚀金属介质去除金属化层技术用途：观察CMOS电路的氧化层针孔和Al－Si互溶引起的PN结穿钉现象，以及确定存储器的字线和位线对地短路或开路的失效定位配方：30％的硫酸或盐酸溶液，30～50℃，该配方不腐蚀氧化层和硅。
机械剖切面技术一般步骤：固定器件（石蜡、松香和环氧树脂Epoxy） 研磨（毛玻璃、粗砂纸）粗抛光（金相砂纸）细抛光（抛光垫加抛光膏）染色金相观察测量结深的抛光染色图片显微形貌像技术仪仪仪仪真真真真样样样样理理真理分分分最最最最大大景景光光光光镜无开开360nm1200小扫扫扫扫光光镜高真真开开、去钝钝钝5nm50万最光学显微镜和扫描电子显微镜的比较光学照片与SEM照片对比基于测量电压效应的失效定位技术扫描电子显微镜的电压衬度像工作原理：电子束在处于工作状态下的被测芯片表面扫描，仪器的二次电子探头接收到的电子数量与芯片表面的电位分布有关。
从而得到包含器件中电极的电势信息的SEM图象（IFA Image－based Failure Analysis）。
判定内容：芯片的金属化层开路或短路失效。
•1、某芯片的电压衬度像•2、应用电压衬度像做失效分析实例现象描述：4096位MOS存储器在电测试时发现，从一条字线可以存取的64个存储单元出现故障，现只能存储“0”信号。
初步推断：译码电路失效，译码器与字线之间开路，0V或12V的电源线短路。
电压衬度像分析：照片中发现一处异常暗线，说明其电压为12V，而有关的译码器没有异常，说明字线与12V电源之间存在短路。
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相变存储器失效机理及工艺优化研究
相变存储器是新一代革命性的计算机存储器技术，它在近十年中得到了迅速发展，已成为主流计算机存储器技术之一。
相变存储器具有存储容量大、电压耗散低、工作速度快、容错率高、抗磁干扰能力强等优点，其失效机理的深入研究和工艺优化可有效促进相变存储器的发展和应用。
一、相变存储器失效机理研究
（1）氧化层损伤机理
氧化层损伤是相变存储器中发生失效的主要原因之一。
大多数相变存储器都采用高纯度氧化物薄膜来作为氧化层，提供稳定的电子障碍，这层氧化层受到烧蚀和湿度等不利因素的影响，容易受到损伤，从而使晶体管失效。
（2）器件失效机理
相变存储器的器件失效也是其失效的一个重要原因。
在制造过程中，器件元件由于原料、工艺、制造工艺误差等原因，将可能出现失效，由出厂时自带的器件，也会受到使用环境的影响，而出现器件失效。
（3）连接接触失效机理
连接接触失效是相变存储器发生失效的重要因素。
根据上述原因，在制造过程中，连接接触会受到不同程度的影响，从而导致连接接触不能正常工作，甚至失效。
（4）控制补偿失效机理
控制补偿机制是相变存储器的重要功能，它用于保证存储器的稳定性和可靠性。
但随着温度、电压等参数的变化，其调节能力会降低，超出控制范围，从而出现相变存储器失效。
二、相变存储器工艺优化
（1）控制器件质量
优质的器件是相变存储器的重要保证，控制器件质量非常重要。
在生产过程中，制造商应严格按照行业标准规定，把握器件的原材料、工艺工艺参数等要素，确保其可靠性，从而有效降低相变存储器的失效率。
（2）优化薄膜结构
薄膜结构对相变存储器性能和可靠性起着至关重要的作用。
科学合理的薄膜结构会提升晶体管的稳定性，减少失效率，提高相变存储器的可靠性。
因此，优化薄膜结构是达到相变存储器高可靠性的关键。
（3）控制小视场设计
小视场设计是相变存储器的基础，是提高可靠性的关键。
有效的小视场设计可以有效的降低晶体管的死区、返回漂移和抖动等特性，从而提高晶体管的可靠性和稳定性。
（4）优化封装技术
封装技术也是影响相变存储器可靠性的重要因素，它可以有效的阻止光、热、湿度以及电磁干扰等因素，从而降低相变存储器失效的可能性。
总之，深入研究相变存储器失效机理及优化工艺是提高相变存储
器性能和可靠性的关键所在。
针对不同的失效机理，应采取针对性的措施，比如优化薄膜结构、合理设计小视场参数、严格把控器件质量等，以此有效降低相变存储器失效率，实现相变存储器的可靠耐用。