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Sb富含ZnSb基相变材料的性能研究

陈益敏  
【摘要】:Sb富含近些年来,相变随机存储器(PRAM)被认为是最具潜力和应用价值的下一代非易失性存储器之一。由于它具有不挥发性、读写速度快、循环次数高、器件尺寸小、抗辐射能力强,以及和现有的CMOS工艺相兼容等特点,进而被当今业内人士广泛研究。然而,以传统的Ge2Sb2Te5(GST)为存储介质的PRAM存在明显不足,这是由于GST这种材料存在诸多缺陷,如非晶态热稳定性不佳,相变速度较慢,以及晶态电阻较小和熔点过高等。对于单一结构的相变材料而言,其非晶态热稳定性和相变速度总是存在相互制约,如何平衡这两种性能是非常有必要研究的。所以,本文从材料出发,通过组分优化,开发出几种兼备良好热稳定性和快速相变能力的薄膜存储材料,主要工作如下:(1)研究了新型的无Te二元Zn-Sb相变材料(Zn含量介于8.5~57.7 at.%之间)。从结构看,当Sb含量较多时,Zn-Sb薄膜析出单一的Sb晶相;当Zn与Sb含量的原子比大于等于1:1时,薄膜析出的是Zn Sb相,同时存在两步析晶过程,即存在稳态和亚稳态。从性能看,减少Sb含量,能不断增加Zn-Sb薄膜的结晶温度和析晶活化能,但其相变速度并无明显增加。其中,Zn Sb薄膜具备结晶温度高(257°C)、析晶活化能大(5.63 e V)、十年数据保持力强(201°C)、熔点低(500°C)等特点。这表明Zn Sb薄膜是一种高热稳定的相变材料。(2)利用二元Zn Sb的高热稳定性,将其引入到具有快速相变能力的Sb-Te(Sb2Te、Sb3Te、Sb2Te3)薄膜中。系统地研究了Sb富含Zn-Sb-Te薄膜的析晶行为随Zn含量变化的情况:当Zn含量少于10 at.%时,薄膜析出的是六方Sb2Te相或Sb2Te3相;当Zn含量大于10at.%时,薄膜析出的是菱面体的Sb相。析出晶相的不同导致薄膜热学、光学、电学等性能发生变化。其中,Zn Sb-Sb2Te系列薄膜兼备Zn Sb的高热稳定性和Sb2Te的快速相变能力,尤其是Zn28.6Sb53.7Te17.7薄膜,它具有较高的结晶温度(约255°C)和较好的十年保存寿命(理论计算数据能在165.9°C的环境下安全地保存十年)。此外,该薄膜在70 m W的激光脉冲作用下完全结晶时间仅为58 ns。上述研究结果表明Zn28.6Sb53.7Te17.7是一种高热稳定性好且相变速度快的存储薄膜。(3)深入分析了Zn Sb引入Sb Se薄膜后产生的一系列结构和相关物理性质的变化。Zn Sb的引入破坏了Sb-Se3/2结构,使得薄膜产生Zn-Se键,从而影响其光学、电学、热学等性质。通过适量的Zn Sb掺杂(Zn19.0Sb45.7Se35.3),发现薄膜具有较高的结晶温度(~250°C)、较大的析晶活化能(~8.57 e V)、较好的十年数据保持能力(~200.2°C)。与此同时,该薄膜的高晶态电阻(在300°C退火下约有3×103Ω/□)和低熔点(~550.2°C)非常有利于减小RESET电流,降低PRAM器件功耗。更重要的是,Zn19.0Sb45.7Se35.3薄膜可以在不牺牲热稳定性的情况下同时提高相变速度(在70m W的激光脉冲作用下,其相变速度能达到85ns)。但过量的掺杂会引起上述性能极度恶化。(4)初步探究了某些金属元素(如Sn、Bi、Al、Ag、In等)掺杂对Zn Sb相变薄膜所产生的影响。选择其中具有代表性的Zn Sb-3Sn、Zn Sb-5Sn、Zn Sb-In、Zn Sb-Al薄膜进行结构及相变性能研究,发现其相变速度都有不同程度的增加,但十年数据保持能力略有下降。引入这些元素打破了Zn-Sb键的平衡,使Zn Sb的析晶行为发生改变,能有效抑制复杂的Zn Sb相析出。其中Zn Sb-Al和Zn Sb-5Sn还表现出多级存储的能力。据此,某些金属掺杂Zn Sb薄膜也可以成为理想的相变材料。特别是Zn Sb-Al(Zn35.0Sb30.3Al34.7)薄膜,其较小的表面粗糙度(RMS=1.654 nm)以及与GST相仿的厚度变化百分比(7.5%),这说明Al的引入能增加介质薄膜与器件电极间的接触可靠性。


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