硫系化合物随机存储器关键相变材料与器件单元工艺研究

发布时间：2020-05-26 18:59

【摘要】：本文的主要内容包括以下几个方面的研究工作：Ge_2Sb_2Te_5相变材料的制备与性能表征；掺杂N、O、B对Ge_2Sb_2Te_5薄膜结构和电学性能的影响；C—RAM器件单元制备工艺与电学性能表征等。首先，本文全面综述了硫系化合物随机存储器C—RAM的研究进展，简单介绍了其记录原理、发展历程和应用前景，详细论述了C—RAM的特点、相变材料和发展趋势，重点叙述了C—RAM的结构设计、器件单元纳米化的措施和器件工艺过程中的几个关键问题等内容。通过优化工艺，制备出了质量优良、能够满足C—RAM器件需要的Ge_2Sb_2Te_5相变薄膜，系统全面地研究了其结构、原子键合状态和电阻性能，热致Ge_2Sb_2Te_5膜相变有两个过程：非晶态到FCC晶态的转变，结晶温度约为175℃；FCC到六方晶态的转变，结晶温度约为365℃。Ge_2Sb_2Te_5薄膜的非晶态与晶态之间的电阻相差非常大，可达6个数量级，完全可以满足C—RAM器件的要求。首次深入探讨了N、O和B掺杂对Ge_2Sb_2Te_5结构和电学性能的影响。掺杂N、O和B三种元素后，Ge_2Sb_2Te_5薄膜的晶格都发生了畸变，甚至产生分相，但当掺杂量和退火温度都很高时，分相不再发生，FCC到六方结构的相变也被抑制，薄膜结构仍为FCC结构；掺杂的N和O与Ge键合，分别生成Ge_3N_4和GeO_2，，对晶粒有很明显的细化作用；N和B的掺杂量较低时，薄膜的电阻—温度特征曲线中出现了两个明显的电阻下降台阶，这利于C—RAM的多级存储；三种元素的掺杂量较高时，晶态电阻在很大温度范围内变化范围很窄，稳定性大大提高，有利于改善C—RAM的存储性能。在国内首次利用FIB法制备出纳米量级的C—RAM器件单元，器件单元中电极与相变材料的接触面最小直径可达60nm，采用自主设计搭建的C—RAM电学测试系统测出了其Ⅰ-Ⅴ特征曲线，并成功实现了器件单元的可逆相变过程，器件单元中Ge_2Sb_2Te_5相变材料晶化过程的最小临界电流(SET电流)为0.28mA，这对今后研究C—RAM的存储性能非常有益。首次把Sb_2Te_3相变材料应用于C—RAM，初步研究了Sb_2Te_3相变材料的结构和电阻性能，Sb_2Te_3相变材料的C—RAM器件单元中电极与相变材料的接触面最小直
【图文】：

存储器,国际

突破的基础上，给出了未来几年半导体器件发展的最权威的规划，从四个层面规划了器件发展的走势。在存储器方面，C一RAM被认为最有可能取代目前的FLASH而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件〔见图2.3〕。图2.3国际半导体工业协会2003年版关于存储器的规划C一RAM具有替代FALSH与DARM的巨大潜力，最主要的原因其高密度存储上的优势。按照摩尔定律的发展规律，存储器由微电子向纳电子器件发展是必然的趋势。EEPR枷存储器件由于本身的原因限制了其小型化，DARM技术采用越来越复杂的单元结构来维持由于特征尺寸不断缩小而影响的电容量。FReMA依靠畴的变化来记录信息，也受到体积的限制，集成度难以提高。而C一RAM靠电阻率变化的存储方式则有可能往更小尺寸的方向发展【’3]。从表2.2可以看出，c一RAM电阻基信息存储器有可能是同时克服其它存储技术所不能克服的极限、同时满足高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小和功耗低等五方面要求的器件:在数据读取速度方面，C一ARM可以实现与FLAHS同等水平的高速读取;在可擦写次数方面与FReMA一样，为10’“次;读取方法与MARM一样为非破坏性

领域,相变薄膜,化合物,绝热材料

图.24C一RAM的应用领域SC一RAM的关键相变材料一种典型的C一RMA器件结构如图2.5所示。由图知，C一尺AM由硫系化合物相变、电极材料、绝热材料和过渡层材料等构成分，是信息存储的载体。。硫系化合物相变薄膜是C一RAM的核
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TP333

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