相變存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)及工藝研究.pdf

1、相變存儲(chǔ)器（PCM）由于具有非易失性、高存儲(chǔ)密度、低功耗，高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為是最有可能取代閃存和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）成為下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品之一。相變存儲(chǔ)器從上世紀(jì)六十年代提出，到現(xiàn)在已超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展相變存儲(chǔ)器終于由概念變成了現(xiàn)實(shí)，2011年三星公司將相變存儲(chǔ)芯片應(yīng)用于該公司的一款手機(jī)中，完成了相變存儲(chǔ)器從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)變。但相變存儲(chǔ)器還未在市場(chǎng)上大批量銷售，且相變

2、存儲(chǔ)器的性能依然有巨大的提升空間，如擦寫速度、熱串?dāng)_等。新型相變材料的研發(fā)和器件結(jié)構(gòu)及工藝的改進(jìn)是其性能提升三種方式，本文研究了相變存儲(chǔ)器單元制備工藝和芯片的后集成工藝；提出了改善其熱串?dāng)_的新型器件結(jié)構(gòu)以及提升相變存儲(chǔ)器電熱轉(zhuǎn)化效率的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)了一種不受限于光刻精度的相變存儲(chǔ)器工藝流程，上述研究為我國(guó)實(shí)用化相變存儲(chǔ)器芯片的研究和開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
　　本文首先從相變存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)即T型結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)相變存儲(chǔ)器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了相

3、變存儲(chǔ)單元的掩膜版，制備了八個(gè)獨(dú)立相變存儲(chǔ)單元，確定了相變存儲(chǔ)單元工藝流程及工藝參數(shù)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，單元寫速度最快可達(dá)5ns。然后將相變存儲(chǔ)器的單元工藝應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器芯片的制備工藝之中，分別完成了256bit和1Mb相變存儲(chǔ)器芯片的后集成工藝，經(jīng)過(guò)測(cè)試，芯片外圍電路和存儲(chǔ)單元均導(dǎo)通，且可反復(fù)擦寫。
　　建立了相變存儲(chǔ)器的有限元模型，利用ANSYS軟件完成了相變存儲(chǔ)器的有限元模擬，提出了一種改進(jìn)相變存儲(chǔ)器熱串?dāng)_的單元結(jié)構(gòu)，即

4、雙層電極和工字型結(jié)構(gòu)，顯著地降低了臨近單元的熱串?dāng)_。提出了一種可提升電熱轉(zhuǎn)化效率的新型非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
　　設(shè)計(jì)了基于角度蒸發(fā)的相變存儲(chǔ)器制備工藝流程，采用此工藝可制備特征尺寸不受限于光刻精度的相變存儲(chǔ)器，在微米尺度的工藝環(huán)境中制備了特征尺寸為100nm×80nm的線型相變存儲(chǔ)單元，新工藝方法制備的相變存儲(chǔ)器特征尺寸更小，擦寫速度更快，且極大降低了相變存儲(chǔ)器的制備成本，且新工藝流程制備的相變存儲(chǔ)器單元與傳統(tǒng)線型相變存儲(chǔ)器相比在熱串?dāng)_上