用于相變存儲器的硫系化合物及器件研究.pdf

1、從2001年intel在IEDM發(fā)表第一篇相變存儲器的論文到2005年samsung在VLSI發(fā)表256M的PCRAM的實驗數據，相變存儲器的發(fā)展迅猛。Intel甚至在2006年第21屆非揮發(fā)性半導體內存學會上稱“32nm以后是相變存儲器的時代”。相變存儲器由于其工藝簡單，操作速度快，疲勞和保持特性好，與CMOS工藝兼容，是下一代非揮發(fā)存儲器的有力的競爭者。但是相變存儲器由于本身的特點所限，存在著RESET電流大，阻值分布問題，熱穩(wěn)定性

2、問題。本文正是圍繞RESET電流和提高PCRAM熱穩(wěn)定性兩個關鍵點分成五章進行了相關研究。 第二章測量了退火溫度對Ge2Sb2Te5電學性能和結構的影響。發(fā)現隨著退火溫度的增加，GST薄膜的電阻率降低，非晶態(tài)與晶態(tài)GST電阻率的比大于104，在退火過程中，發(fā)現電阻率下降有兩個速度，隨著退火溫度的升高，薄膜電阻率有再次升高的趨勢。XRD測量顯示隨著退火溫度身高，GST首先發(fā)生非晶向FCC結構的轉變，然后發(fā)生FCC結構向hex結構的

3、轉變。實驗測量了FCC結構晶格常數是a=0．602nm，hex結構晶格常數a=0．418nm，c=1．701nm。對非晶態(tài)與晶態(tài)GST做了Raman分析，發(fā)現了(Tee)Sb—Sb(Te2)中的Sb—Sb鍵的振動峰和GeTe4極性鍵的振動峰。在非晶態(tài)，這兩種峰都有，晶態(tài)時GeTe4極性鍵的振動峰比較少。Raman實驗發(fā)現熱退火與激光退火的Raman譜相似。研究了薄膜厚度對GST性能的影響，分現隨著薄膜厚度的減少，薄膜電阻率增加，并且AF

4、M顯示10nm厚GST退火后薄膜上出現孔洞。 第三章對先對N摻雜的GST的結構和電學特性進行測量，成功用N摻雜實現穩(wěn)定的三個電阻態(tài)，可以用于PCRAM的多值存儲，實驗還發(fā)現晶粒尺寸隨著N含量的增加而減少，起到細化晶粒的作用。對于fcc相的晶格常數，可以看出隨著N含量的增加，晶格常數a增加。對于hex相的晶格常數，隨著N含量的增加，晶格常數a增加，c減小。然后對Si摻雜的GST的結構和電學特性進行測量，使GST晶態(tài)電阻率提高的同時

5、，非晶與晶態(tài)電阻率的比值不下降。實驗發(fā)現SI摻雜使GST的相轉變溫度提高，并且摻雜濃度越高，相轉變溫度越高，并且Si抑制了GST薄膜中FCC結構向hex結構轉變過程。最后用原位電阻法測量了N，Si摻雜對GST熱穩(wěn)定性的影響，并用Raman，XPS進行了分析。發(fā)現N，Si摻雜可以抑制GST從非晶向晶態(tài)轉變，XPS結果顯示，N摻雜的GST出現N化物可以解釋N摻雜的GST薄膜熱穩(wěn)定性增加的原因。 第四章用原位電阻法測量了薄膜厚度對GS

6、T熱穩(wěn)定性的影響。發(fā)現薄膜厚度從llnm增加增加到110nm，導致GST結晶溫度從結晶溫度從1480(2減少到135℃，并且熱穩(wěn)定性下降很多，最后從熱力學角度進行了分析。 第五章建立PCRAM的一維熱學模型，用有限元模擬器件的熱分布，估計Ireset的大小。模擬了PCRAM相變材料厚度，下電極尺寸，GST電阻率對Ireset的大小影響。隨著相變材料厚度增加，reset呈下降趨勢；隨著下電極截面積減少，[reset呈下降趨勢；隨著

7、相變材料電阻率增加，Ireset呈下降趨勢。模擬了發(fā)熱層對PCRAM單元Ireset的大小影響。在器件結構添加加熱層可以減少RESET電流；加熱層的傳導系數越小，RESET電流越??；加熱層的比熱越小，RESET電流越小，加熱層的電阻率越大，RESET電流越小。此基礎上，給出一個參數優(yōu)化的例子，使Ireset小于0．5mA，為PCRAM的性能優(yōu)化提供依據。 第六章設計了邊接觸結構PCRAM單元，并試制了該結構。在制備過程中解決了G