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用于相变存储器的硫系化合物及器件研究

凌云  
【摘要】: 从2001年intel在IEDM发表第一篇相变存储器的论文到2005年samsung在VLSI发表256M的PCRAM的实验数据,相变存储器的发展迅猛。Intel甚至在2006年第21届非挥发性半导体内存学会上称“32nm以后是相变存储器的时代”。相变存储器由于其工艺简单,操作速度快,疲劳和保持特性好,与CMOS工艺兼容,是下一代非挥发存储器的有力的竞争者。但是相变存储器由于本身的特点所限,存在着RESET电流大,阻值分布问题,热稳定性问题。本文正是围绕RESET电流和提高PCRAM热稳定性两个关键点分成五章进行了相关研究。 第二章测量了退火温度对Ge_2Sb_2Te_5电学性能和结构的影响。发现随着退火温度的增加,GST薄膜的电阻率降低,非晶态与晶态GST电阻率的比大于10~4,在退火过程中,发现电阻率下降有两个速度,随着退火温度的升高,薄膜电阻率有再次升高的趋势。XRD测量显示随着退火温度身高,GST首先发生非晶向FCC结构的转变,然后发生FCC结构向hex结构的转变。实验测量了FCC结构晶格常数是a=0.602nm,hex结构晶格常数a=0.418nm,c=1.701nm。对非晶态与晶态GST做了Raman分析,发现了(Te_2)Sb—Sb(Te_2)中的Sb—Sb键的振动峰和GeTe_4极性键的振动峰。在非晶态,这两种峰都有,晶态时GeTe_4极性键的振动峰比较少。Raman实验发现热退火与激光退火的Raman谱相似。研究了薄膜厚度对GST性能的影响,分现随着薄膜厚度的减少,薄膜电阻率增加,并且AFM显示10nm厚GST退火后薄膜上出现孔洞。 第三章对先对N掺杂的GST的结构和电学特性进行测量,成功用N掺杂实现稳定的三个电阻态,可以用于PCRAM的多值存储,实验还发现晶粒尺寸随着N含量的增加而减少,起到细化晶粒的作用。对于fcc相的晶格常数,可以看出随着N含量的增加,晶格常数a增加。对于hex相的晶格常数,随着N含量的增加,晶格常数a增加,c减小。然后对Si掺杂的GST的结构和电学特性进行测量,使GST晶态电阻率提高的同时,非晶与晶态电阻率的比值不下降。实验发现Si掺杂使GST的相转变温度提高,并且掺杂浓度越高,相转变温度越高,并且Si抑制了GST薄膜中FCC结构向hex结构转变过程。最后用原位电阻法测量了N,Si掺杂对GST热稳定性的影响,并用Raman,XPS进行了分析。发现N,Si掺杂可以抑制GST从非晶向晶态转变,XPS结果显示,N掺杂的GST出现N化物可以解释N掺杂的GST薄膜热稳定性增加的原因。 第四章用原位电阻法测量了薄膜厚度对GST热稳定性的影响。发现薄膜厚度从11nm增加增加到110nm,导致GST结晶温度从结晶温度从148℃减少到135℃,并且热稳定性下降很多,最后从热力学角度进行了分析。 第五章建立PCRAM的一维热学模型,用有限元模拟器件的热分布,估计I_(reset)的大小。模拟了PCRAM相变材料厚度,下电极尺寸,GST电阻率对I_(reset)的大小影响。随着相变材料厚度增加,I_(reset)呈下降趋势;随着下电极截面积减少,I_(reset)呈下降趋势;随着相变材料电阻率增加,I_(reset)呈下降趋势。模拟了发热层对PCRAM单元I_(reset)的大小影响。在器件结构添加加热层可以减少RESET电流;加热层的传导系数越小,RESET电流越小;加热层的比热越小,RESET电流越小,加热层的电阻率越大,RESET电流越小。此基础上,给出一个参数优化的例子,使I_(reset)小于0.5mA,为PCRAM的性能优化提供依据。 第六章设计了边接触结构PCRAM单元,并试制了该结构。在制备过程中解决了GST与介质粘附性,边墙刻蚀两个关键问题。对样品进行测试,结果显示下电极截面积减小使RESET电流降低,N掺杂的GST的使用时V_(th)下降。


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