相变存储器用Mg掺杂硫族化合物性能的研究

【摘要】：随着人类社会的飞速发展,电子产品市场对存储器的要求与日俱增。闪存是目前世界上最主流的存储器,但是进入45nm技术节点后,器件的大小将难以进一步缩小,其发展已经遭遇技术瓶颈的困扰。因此,世界各大半导体公司都在研发新型的存储器。相变存储器因具有读取速度快、可擦写次数高、功耗低、与COMS工艺兼容的优势,逐渐成为非常有潜力的新型存储器。本论文从相变所需的材料入手,对目前相变存储器材料出现的一些问题,制备了几种Mg掺杂的新型相变存储材料,并对其进行结构和性能的研究,通过优化期望找出最有潜力的薄膜组分作为存储介质。主要进行了以下几方面的研究:(1)制备了Mg-ZnSb薄膜,主要对薄膜的结构和电学特性进行了系统性的研究。研究表明掺杂Mg元素后,经过XPS测试显示,Mg元素已经和ZnSb形成了Mg-Zn、MgSb新键。薄膜的晶化温度由257 oC升高到278 oC。但是薄膜的晶态电阻、非晶态电阻以及电阻的开关比却在不断减小。(2)通过对Mg-Ge-Te薄膜体系的研究表明Mg元素已经掺杂到Ge2Te薄膜中,破坏了原来的Ge-Te键形成Mg-Ge和Mg-Te新键。由于Mg元素的掺杂,薄膜的晶化温度、晶态电阻、非晶态电阻相对于Ge2Te薄膜都有了一定的提升,并且电阻的开关比也增大了。此外,Mg元素还提升了相变速率,并且Mg元素含量越多相变速率也越快。其中Mg14.2(Ge2Te)85.8薄膜的晶化温度是236oC,开关比是1.6×108。(3)通过对Mg-Sb-Te薄膜体系的研究发现Mg对Sb2Te、Sb7Te3和Sb4Te几个组分的薄膜的性能都有一定的的改变。Mg元素引入后,Mg与Sb、Te都成键,这些新键的形成有助于薄膜的结晶温度和非晶态稳定性的提升。同时掺杂Mg元素后,薄膜的析晶过程受到抑制,Mg元素分布在晶粒周围抑制了晶粒的增长。根据激光诱导平台测试结果表明,Mg元素提升了相变速率,不论是晶化开始时间还是晶化结束时间都大大缩短了。此外,还发现随着Sb含量的增加晶化开始的时间和晶化结束的时间也在不断减少。Mg21.5(Sb2Te)78.5、Mg22.7(Sb7Te3)77.3、Mg19.8(Sb4Te)80.2薄膜的晶化温度是183?C、176?C、187?C,结晶化结束时间是55ns、55ns、20ns。通过对各个体系的组分进行分析发现,薄膜的最优组分是Mg元素含量大约在20%左右的时候。Mg元素不但能够使Sb-Te基薄膜的稳定性有一定的改善,还能够使薄膜的晶化速率远远快于GST(250ns),这样解决了相变速率慢、稳定不好的问题。