用于相變存儲器的硫系化合物及器件研究.pdf

1、從2001年intel在IEDM發(fā)表第一篇相變存儲器的論文到2005年samsung在VLSI發(fā)表256M的PCRAM的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相變存儲器的發(fā)展迅猛。Intel甚至在2006年第21屆非揮發(fā)性半導(dǎo)體內(nèi)存學(xué)會上稱“32nm以后是相變存儲器的時代”。相變存儲器由于其工藝簡單，操作速度快，疲勞和保持特性好，與CMOS工藝兼容，是下一代非揮發(fā)存儲器的有力的競爭者。但是相變存儲器由于本身的特點(diǎn)所限，存在著RESET電流大，阻值分布問題，熱穩(wěn)定性

2、問題。本文正是圍繞RESET電流和提高PCRAM熱穩(wěn)定性兩個關(guān)鍵點(diǎn)分成五章進(jìn)行了相關(guān)研究。 第二章測量了退火溫度對Ge2Sb2Te5電學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的增加，GST薄膜的電阻率降低，非晶態(tài)與晶態(tài)GST電阻率的比大于104，在退火過程中，發(fā)現(xiàn)電阻率下降有兩個速度，隨著退火溫度的升高，薄膜電阻率有再次升高的趨勢。XRD測量顯示隨著退火溫度身高，GST首先發(fā)生非晶向FCC結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，然后發(fā)生FCC結(jié)構(gòu)向hex結(jié)構(gòu)的

3、轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)測量了FCC結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)是a=0．602nm，hex結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)a=0．418nm，c=1．701nm。對非晶態(tài)與晶態(tài)GST做了Raman分析，發(fā)現(xiàn)了(Tee)Sb—Sb(Te2)中的Sb—Sb鍵的振動峰和GeTe4極性鍵的振動峰。在非晶態(tài)，這兩種峰都有，晶態(tài)時GeTe4極性鍵的振動峰比較少。Raman實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱退火與激光退火的Raman譜相似。研究了薄膜厚度對GST性能的影響，分現(xiàn)隨著薄膜厚度的減少，薄膜電阻率增加，并且AF

4、M顯示10nm厚GST退火后薄膜上出現(xiàn)孔洞。 第三章對先對N摻雜的GST的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性進(jìn)行測量，成功用N摻雜實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的三個電阻態(tài)，可以用于PCRAM的多值存儲，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸隨著N含量的增加而減少，起到細(xì)化晶粒的作用。對于fcc相的晶格常數(shù)，可以看出隨著N含量的增加，晶格常數(shù)a增加。對于hex相的晶格常數(shù)，隨著N含量的增加，晶格常數(shù)a增加，c減小。然后對Si摻雜的GST的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性進(jìn)行測量，使GST晶態(tài)電阻率提高的同時

5、，非晶與晶態(tài)電阻率的比值不下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SI摻雜使GST的相轉(zhuǎn)變溫度提高，并且摻雜濃度越高，相轉(zhuǎn)變溫度越高，并且Si抑制了GST薄膜中FCC結(jié)構(gòu)向hex結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程。最后用原位電阻法測量了N，Si摻雜對GST熱穩(wěn)定性的影響，并用Raman，XPS進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)N，Si摻雜可以抑制GST從非晶向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，XPS結(jié)果顯示，N摻雜的GST出現(xiàn)N化物可以解釋N摻雜的GST薄膜熱穩(wěn)定性增加的原因。 第四章用原位電阻法測量了薄膜厚度對GS

6、T熱穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)薄膜厚度從llnm增加增加到110nm，導(dǎo)致GST結(jié)晶溫度從結(jié)晶溫度從1480(2減少到135℃，并且熱穩(wěn)定性下降很多，最后從熱力學(xué)角度進(jìn)行了分析。 第五章建立PCRAM的一維熱學(xué)模型，用有限元模擬器件的熱分布，估計Ireset的大小。模擬了PCRAM相變材料厚度，下電極尺寸，GST電阻率對Ireset的大小影響。隨著相變材料厚度增加，reset呈下降趨勢；隨著下電極截面積減少，[reset呈下降趨勢；隨著

7、相變材料電阻率增加，Ireset呈下降趨勢。模擬了發(fā)熱層對PCRAM單元Ireset的大小影響。在器件結(jié)構(gòu)添加加熱層可以減少RESET電流；加熱層的傳導(dǎo)系數(shù)越小，RESET電流越??；加熱層的比熱越小，RESET電流越小，加熱層的電阻率越大，RESET電流越小。此基礎(chǔ)上，給出一個參數(shù)優(yōu)化的例子，使Ireset小于0．5mA，為PCRAM的性能優(yōu)化提供依據(jù)。 第六章設(shè)計了邊接觸結(jié)構(gòu)PCRAM單元，并試制了該結(jié)構(gòu)。在制備過程中解決了G