相变存储单元热模拟及其CMP关键技术研究

发布时间：2020-08-07 00:56

【摘要】： 相变存储器由于具有低功耗、读写速度快、抗疲劳、制作工艺与CMOS工艺兼容等特点,倍受业界青睐,是一种很有发展前景的非易失性新型存储器。本论文针对相变存储器,在国家重点基础研究发展计划、国家863计划、中国科学院以及上海市科委项目等资助下开展研究工作。本论文在大量的文献调研基础上,从目前相变存储器存在的主要问题出发,开展了一系列的研究工作,并获得了以下几个方面的结果; 1)为了提高器件的性能、降低相变存储单元的功耗,本论文用电学和传热学耦合模拟的方法,详细模拟了Reset和Set的工作过程。研究结果表明;影响Reset过程的主要器件几何参数是底电极的尺寸,尺寸越小,Reset越容易发生;影响Set过程的主要器件几何参数是相变材料的厚度,厚度越薄,Set越容易发生。根据模拟结果,提出了改善器件性能的新结构;如减小相变材料的相变区域、采用纳米点作为电极提高加热效率和用空心底电极降低电极尺寸等。 2)为了使相变存储器制备工艺与集成电路工艺相兼容,需要对相变材料的化学机械抛光这一关键工艺进行研究,其中抛光液是该工艺所需的关键材料。本论文首次采用电化学的方法系统研究了抛光液中的pH值、氧化剂和成膜剂等对相变材料抛光工艺的影响。研究发现;当抛光液的pH为10左右、氧化剂H_2O_2浓度在3wt%～5wt%、成膜剂BTA浓度为0.1wt%时,Ge_2Sb_2Te_5的表面能够形成最为有效的钝化层,此结果对配制抛光液很有指导意义。 3)采用根据电化学结果配制的抛光液,研究了相变材料对二氧化硅的抛光速率选择比,研究结果表明;Ge_2Sb_2Te_5和SiSb_2Te_3对SiO_2抛光速率的选择比分别为6∶1和9∶1。用化学机械抛光工艺结合刻蚀和填充工艺制作了各种镶嵌结构的器件阵列,结果表明;化学机械抛光工艺可以有效地去除表面残余的Ge_2Sb_2Te_5和SiSb_2Te_3相变材料,实现相变材料的微纳米结构;在有底电极的Ge_2Sb_2Te_5存储单元阵列中,得到较为均匀的电学特性;结合电子束曝光的方法制作了小尺寸SiSb_2Te_3阵列,并观察到可逆相变。 4)为了能够低成本地制作相变存储器阵列结构,本论文研究了相变材料的刻蚀液和湿法刻蚀工艺。优选出HCl+H_2O_2刻蚀液,并用此刻蚀液制作出相变存储单元阵列,在大尺寸下观察到可逆相变。 5)为了能够研究相变存储器的电学性能及可靠性,本论文研制了多仪器电学性能测试系统。通过该系统各个模块的协同工作,可以用来研究相变存储单元的电学特性、相变材料的温度特性以及数据保持力,同时也可以用来研究其他器件特性,如浮栅,MIS结构等。
【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】：2007
【分类号】：TP333
【图文】：

示意图,存储器,相变,结构示意图

图1.3硫系化合物合金的工作过程):加很高的电压于低阻状态的合金，这时器温度之上。当电流消失时，熔化了的少量合基本结构种电阻式存储器，它是不需要任何类型的电器件。因此，它就可以用来存储一系列电构示意图。它是由两个金属电极之间嵌入上面的电极称为顶电极，电极和相变材料的电流或脉冲电压时，器件就有电流流过。度高的地方产生热量，使在结构中局部达

晶体管阵列,存储性能,相变,存储器

图17C一RAM晶体管阵列相变存储器具有非常理想的存储性能，而且其功耗极低，非常适用于移动产由于它的数据状态跟只跟电阻的大小有关，而电阻可以出现多种数值，因此可以发成多级存储器，如图1.8所示;而且相变存储器还可以避免了如DRAM和Fl固定电荷存储器件中在读取数据时可能产生噪声和软错误等问题。器件电阻(。hms)

存储状态,相变,存储器

相变存储器具有非常理想的存储性能，而且其功耗极低，非常适用于移动产品;由于它的数据状态跟只跟电阻的大小有关，而电阻可以出现多种数值，因此可以用来开发成多级存储器，如图1.8所示;而且相变存储器还可以避免了如DRAM和Flash等固定电荷存储器件中在读取数据时可能产生噪声和软错误等问题。器件电阻(。hms)编程电流(rnA)图1.8相变存储器可以有多个存储状态 1.3相变存储器的的相变材料体系大多数材料都存在多晶态和非晶态。一般来说，材料在高温下熔化之后，再经过急剧冷却的淬火过程，冷却之后的材料就会呈非晶态。然而，用于相变存储器中的相变材料，必须要满足一下几个条件:(1)这种材料的多晶态和非晶态在电学特征(如电阻率)方面有很大的差别，这样就可以有足够的信号区别存储的数据;中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文

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