用于相變存儲器的Sb-Te基和Sb基相變材料研究.pdf

1、隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展,市場對不揮發(fā)存儲器的需求急劇增長。作為目前主流的不揮發(fā)存儲技術(shù),閃存在商業(yè)上取得了巨大的成功,它被廣泛地應(yīng)用在分立式和嵌入式芯片中。然而,其較長的擦寫時(shí)間和有限的擦寫次數(shù),不能滿足未來技術(shù)發(fā)展的要求,而且由于自身物理機(jī)理上的限制,閃存單元尺寸的縮小遇到了很多的技術(shù)瓶頸。因此,人們都在積極尋求可替代閃存的新一代不揮發(fā)存儲器技術(shù)。相變存儲器(Phase-change Random Access Memory,簡

2、稱PRAM)因?yàn)榫哂凶x寫速度快(ns量級)、循環(huán)次數(shù)高、功耗低以及和現(xiàn)有的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為最有可能成為未來可通用的新一代不揮發(fā)存儲器技術(shù)。
　　 近10年來,PRAM相關(guān)技術(shù)的研發(fā)取得了很大的進(jìn)展,但是目前仍然存在一些需要改善和解決的問題,如RESET電流較大、高溫下的數(shù)據(jù)保存壽命有待提高、器件的失效機(jī)理理解等。前面兩個(gè)問題與相變存儲材料的性能密切相關(guān),因此優(yōu)化相變材料的性能非常重要,這方面的研究工作主要集中在兩個(gè)

3、方面:一是對傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5材料進(jìn)行摻雜改性,二是研究新型相變存儲材料。本論文從新型相變存儲材料的開發(fā)和優(yōu)化著手,嘗試尋求解決方案,主要進(jìn)行了以下幾方面的研究:
　　 (1)研究了三元Si-Sb-Te相變材料體系。研究表明,Si-Sb-Te薄膜的非晶態(tài)/晶態(tài)電阻率之比在105以上,厚度變化率小于3％。隨著Si濃度的增加或Sb/Te值的減小,晶態(tài)電阻率顯著增加,并且晶化溫度和非晶態(tài)熱穩(wěn)定性隨之提高。與Ge2Sb2Te5材料相

4、比,該材料體系具有更低的熔點(diǎn)、更高的晶態(tài)電阻率和優(yōu)異的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性。器件測試和熱學(xué)模擬結(jié)果表明,采用Si-Sb-Te材料作為存儲介質(zhì)可以顯著降低器件的RESET電流。
　　 (2)研究了N摻雜Ge15Sb85薄膜用作存儲介質(zhì)以提高器件在高溫下的數(shù)據(jù)保存壽命的可能性。研究表明,摻雜的N主要與Ge15Sb85薄膜中的Ge結(jié)合形成Ge3N4,并且集聚到晶界上,束縛晶粒的長大,使晶粒細(xì)化。薄膜的非晶態(tài)和晶態(tài)電阻率因N摻雜而顯著增加。與

5、Ge2Sb2Fe5材料相比,N摻雜Ge15Sb85具有更為優(yōu)異的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性,其非晶態(tài)能夠保存10年的最高溫度高于147℃,這將提高器件在高溫下的數(shù)據(jù)保存壽命。器件的I-V和R-V特性曲線證實(shí)了N摻雜Ge15Sb85薄膜具備存儲特性和高速SET轉(zhuǎn)變特性。
　　 (3)開發(fā)出新型的富含Sb的二元Si-Sb相變材料。研究表明,結(jié)晶后Si-Sb薄膜具有類似于Sb的六方晶體結(jié)構(gòu)。隨著Si濃度的增加,Si-Sb材料的晶化溫度升高,晶粒尺

6、寸減小,非晶態(tài)和晶態(tài)電阻率提高。Si15Sb85組分具有比Ge2Sb2Te5材料更為優(yōu)異的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性,其非晶態(tài)能在140℃保存10年。
　　 對Si15Sb85組分進(jìn)行N或O摻雜改性。摻雜N后,N與Si結(jié)合形成Si3N4,束縛了晶粒生長。非晶態(tài)和晶態(tài)電阻率隨著N摻雜濃度的增加而增加。N摻雜還提高了Si15Sb85薄膜的晶化溫度和非晶態(tài)熱穩(wěn)定性。摻雜O后,O優(yōu)先與Si結(jié)合形成SiO2。O摻雜導(dǎo)致非晶態(tài)和晶態(tài)電阻率增加。與N摻雜