用于相变存储器的硫系化合物及器件研究

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1、摘要摘要从2001年intel在IEDM发表第一篇相变存储器的论文到2005年samsung在VLSI发表256M的PCRAM的实验数据，相变存储器的发展迅猛。Intel甚至在2006年第21届非挥发性半导体内存学会上称“32nm以后是相变存储器的时代”。相变存储器由于其工艺简单，操作速度快，疲劳和保持特性好，与CMOS工艺兼容，是下一代非挥发存储器的有力的竞争者。但是相变存储器由于本身的特点所限，存在着RESET电流大，阻值分布问题，热稳定性问题。本文正是围绕RESET电流和提高PCRAM热稳定性两个关键点分成五章进行了相关研究。第二章测量了退火温度对

2、Ge2Sb2Te5电学性能和结构的影响。发现随着退火温度的增加，GST薄膜的电阻率降低，非晶态与晶态GST电阻率的比大于104，在退火过程中，发现电阻率下降有两个速度，随着退火温度的升高，薄膜电阻率有再次升高的趋势。XRD测量显示随着退火温度身高，GST首先发生非晶向FCC结构的转变，然后发生FCC结构向hex结构的转变。实验测量了FCC结构晶格常数是a=0．602nm，hex结构晶格常数a=0．418nm，c=1．701nm。对非晶态与晶态GST做了Raman分析，发现了(Te2)Sb—Sb(Te2)中的Sb--Sb键的振动峰和GeTe4极性键的振动峰

3、。在非晶态，这两种峰都有，晶态时GeTe。极性键的振动峰比较少。Raman实验发现热退火与激光退火的Raman谱相似。研究了薄膜厚度对GST性能的影响，分现随着薄膜厚度的减少，薄膜电阻率增加，并且AFM显示10nm厚GST退火后薄膜上出现孔洞。第三章对先对N掺杂的GST的结构和电学特性进行测量，成功用N掺杂实现稳定的三个电阻态，可以用于PCRAM的多值存储，实验还发现晶粒尺寸随着N含量的增加而减少，起到细化晶粒的作用。对于fcc相的晶格常数，可以看出随着N含量的增加，晶格常数a增加。对于hex相的品格常数，随着N含量的增加，晶格常数a增加，c减小。然后对

4、Si掺杂的GST的结构和电学特性进行测量，使GST晶态电阻率提高的同时，非晶与晶态电阻率的比值不下降。实验发现Si掺杂使GST的相转变温度提高，并且掺杂浓度越高，相转变温度越高，并且Si抑制了GST薄膜中FCC结构向hex结构转变过程。最后用原位电阻法测量了N，si掺杂对GST热稳定性的影响，并用Raman，XPS进行了分析。发现N，Si掺杂可以抑制GST从非晶向晶态转变，XPS结果显示，N掺杂的GST出现N化物可以解释N掺杂的GST薄膜热稳定性增加的原因。第四章用原位电阻法测量了薄膜厚度对GST热稳定性的影响。发现薄膜厚度从llnm增加增加到110nm

5、，导致GST结晶温度从结晶温度从148。C减少到135。C，并且热稳定性下降很多，最后从热力学角度进行了分析。摘要第五章建立PCRAM的一维热学模型，用有限元模拟器件的热分布，估计

6、res。l的大小。模拟了PCRAM相变材料厚度，下电极尺寸，GST电阻率对Ires。t的大小影响。随着相变材料厚度增加，

7、feSel呈下降趋势；随着下电极截面积减少，I。el呈下降趋势；随着相变材料电阻率增加，I。。。呈下降趋势。模拟了发热层对PCRAM单元l。。el的大小影响。在器件结构添加加热层可以减少RESET电流；加热层的传导系数越小，RESET电流越小；加热层的比热

8、越小，RESET电流越小，加热层的电阻率越大，RESET电流越小。此基础上，给出一个参数优化的例子，使I『es。l小于0．5mA，为PCRAM的性能优化提供依据。第六章设计了边接触结构PCRAM单元，并试制了该结构。在制备过程中解决了GST与介质粘附性，边墙刻蚀两个关键问题。对样品进行测试，结果显示下电极截面积减小使RESET电流降低，N掺杂的GST的使用时Vth下降。关键词：硫系化合物，相变存储器，边接触结构，氮掺杂，硅掺杂，热稳定性，Ge2Sb2Te5摘要AbstractTherecentdevelopmentofPCRAMtechnologyisf

9、ast．ItonlytakesfouryearsfromtheIntelcompanypublishedthefirstpaperaboutPCRAMtotheSamsungcompanypublishedthepaperinthe2005VLSIsymposiumaboutthe256MPCRAMtestchip．Inthe21stnonvolatilesemiconductormemorysymposium．theIntelCompanydeclaimed：”the32nmnodbeyondbelongstoPCRAM．”AsPCRAMhasvery

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