納米尺度相變材料短程結(jié)構(gòu)及相變特性研究.pdf

1、作為下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)，相變存儲(chǔ)器（PCRAM）與閃存（FLASH）相比具有很大的優(yōu)越性，特別是在器件單元尺寸微縮方面優(yōu)勢(shì)明顯。隨著摩爾定律的不斷推進(jìn)，半導(dǎo)體器件的特征尺寸將逐漸進(jìn)入10nm以下尺度，因此研究相變存儲(chǔ)器的尺寸極限對(duì)于該存儲(chǔ)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，相變材料在納米尺度的物理特性還不完全清楚，尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
　　本文研究了納米尺度相變材料的制備方法、物理特性的變化，重點(diǎn)解析了非晶態(tài)和

2、晶態(tài)納米尺度相變材料薄膜的微觀短程結(jié)構(gòu)變化，分析了其與宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)之間的聯(lián)系，并探討了納米尺度相變材料可能存在的失效原因及改進(jìn)方案。
　　本文主要工作為：
　　首先采用磁控濺射法制備了具有原子級(jí)平整表面的非晶態(tài)相變納米薄膜，利用脈沖激光成功實(shí)現(xiàn)了6nm Ge2Sb2Te5非晶薄膜的光致相變。對(duì)相變納米薄膜在熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)方面的宏觀基本特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)晶化溫度、晶態(tài)電阻率及光學(xué)常數(shù)等均表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)。<

3、br>　　利用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、表面增強(qiáng)拉曼散射譜（SERS）和X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）等多種探測(cè)手段對(duì)相變納米薄膜的非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了GeTe納米薄膜中Ge原子的短程結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，當(dāng)薄膜厚度降低至10nm以下時(shí)，Ge原子的配位環(huán)境從缺陷八面體中心向四面體中心變化。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬淬火過(guò)程建立了非晶態(tài) G eTe納米薄膜的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)分析鍵角、配位數(shù)分布及局域序函數(shù)深入探討了

4、Ge原子短程結(jié)構(gòu)變化的原因，該變化將增大相變納米薄膜的非晶結(jié)構(gòu)與晶態(tài)結(jié)構(gòu)的短程序差異，提高材料的晶化溫度，增強(qiáng)相變存儲(chǔ)器穩(wěn)定性。
　　對(duì)相變納米薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微學(xué)解析，通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡觀測(cè)到 G eTe納米薄膜的晶粒具有高度擇優(yōu)取向，此外，比例大幅增加的界面原子分布明顯無(wú)序。拉曼散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了該界面層原子對(duì)晶態(tài)相變納米薄膜聲子行為的影響，利用第一性原理模擬退火過(guò)程得到G eTe納米薄膜的晶態(tài)模型，結(jié)合鍵長(zhǎng)-鍵能關(guān)

5、系模型對(duì)納米薄膜聲子譜中新的低頻聲子模式進(jìn)行了分析。晶態(tài)相變納米薄膜的聲子行為改變使得晶格對(duì)載流子的散射幾率增大，晶態(tài)電阻升高，有利于減小相變存儲(chǔ)器的RESET電流。
　　在制備納米超薄膜的基礎(chǔ)上，利用電子束光刻工藝制備三維方向均在納米尺度的相變材料納米點(diǎn)陣，顆粒尺寸最小可達(dá)50nm。利用靜電力顯微鏡對(duì)不同尺寸納米點(diǎn)陣的晶化過(guò)程進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)高溫退火后納米點(diǎn)陣的功函數(shù)發(fā)生變化，證明材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，實(shí)現(xiàn)了相變。進(jìn)一步，利用電子束