Ge2Sb2Te5基相變存儲材料和器件單元結構的研究.pdf

1、在眾多新型半導體存儲技術中，相變存儲器(PCRAM)以其優(yōu)異的綜合性能，被認為是下一代最具潛力的非易失性存儲器之一。而作為存儲媒介的相變材料正是PCRAM的核心，它的性能優(yōu)劣直接與器件的性能緊密相關。為了提升PCRAM的性能，本論文針對目前商用的Ge2Sb2Te5相變材料存在的問題，使用摻雜手段，開發(fā)出具有較高數(shù)據(jù)保持力的快速相變存儲材料。另一個與器件性能直接相關的是器件的結構，好的結構不僅可以提高器件的使用穩(wěn)定性，同時能夠降低器件的功

2、耗。本文針對傳統(tǒng)結構的不足，使用模擬仿真的手段研究了限制型結構和包覆型結構的功耗與其結構參數(shù)之間的關系，優(yōu)化出具有較低功耗的器件結構，取得的主要研究結果如下:
　　1.系統(tǒng)的研究了W元素摻雜的Ge2Sb2Te5相變材料。W原子的引入可以改善相變薄膜的熱穩(wěn)定性，隨著W的質(zhì)量分數(shù)的增加，材料的數(shù)據(jù)保持力也逐漸提高。其中W0.08(GST)0.92薄膜的十年數(shù)據(jù)保持力為183℃，遠遠高于Ge2Sb2Te5的87℃。材料相變時由非晶態(tài)直接

3、轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y構，比Ge2Sb2Te5薄膜具有更穩(wěn)定的晶體結構?；赪0.08(GST)0.92的PCRAM器件單元可以在10 ns的操作電壓下完成可逆相變，單元的可逆相變循環(huán)次數(shù)更是達到了6×105。
　　2.利用了等效晶態(tài)電阻率校準了TCAD模擬工具，使得仿真結果和測試結果有了更精確的匹配性。其次利用校準后的模型，仔細的模擬了限制型結構孔洞深度對器件操作電流的影響，分析了器件中的溫度分布，電阻數(shù)值特性。與傳統(tǒng)T型結構相比，限

4、制型孔洞結構可以顯著地降低器件操作功耗，器件的加熱效率越來越高。從仿真結果可以看出，隨著操作時間的延長，操作電流從5mA降低到1.3mA。
　　3.根據(jù)中芯國際提出的包覆型器件結構進行電學仿真和統(tǒng)計學分析實驗，對影響器件電學性能的各種結構參數(shù)進行了統(tǒng)計優(yōu)化，得到了最優(yōu)的器件結構參數(shù)。其中底加熱電極的直徑BEC為50nm，相變材料層的直徑為200nm，相變材料層的厚度為100nm時，器件可以到達最優(yōu)的功耗水平。該項模擬實驗可以大幅度