Sb基和Se基相变材料的制备及器件性能研究

发布时间：2020-10-29 06:58

　　 相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器,被认为最有可能替代目前的闪存(flash)存储器而成为下一代主流非易失性存储器。PCRAM与其他存储器相比有很多优势,擦写速度快,疲劳性好,功耗低而且与CMOS工艺兼容。但是PCRAM仍然存在很多需要解决的问题:一、很难使相变材料在相变过程中既有较快的相变速度又有较高的稳定性;二、PCRAM在逆相变过程(RESET)中操作功耗比较高;三、对于PCRAM的可靠性及数据保持能力还有待提升。针对PCRAM这些热点问题,本文通过磁控溅射法制备了高性能纳米相变薄膜材料,从相结构、微观形貌和热稳定性等方面系统研究薄膜材料在PCRAM中的应用前景,并取得了以下结论:(1)在SnSe薄膜中掺杂Cu元素,开发出了Cu-Sn-Se新型相变薄膜。比起SnSe,Cu-Sn-Se薄膜拥有更低的晶化激活能(1.60eV);非晶态的Cu-Sn-Se比SnSe的能带间隙更小;在掺入Cu之后的新型薄膜Cu-Sn-Se薄膜的晶化过程受到了抑制并且晶粒的结构变得更加紧密;皮秒激光测试表明了Cu-Sn-Se薄膜拥有一个较快的相变速度(3.36ns);Cu-Sn-Se薄膜比起SnSe薄膜拥有更高的晶态电阻,这对于低功耗的PCRAM的应用具有非常重要的意义。(2)在SnSb薄膜中掺入O元素,开发出了SnSb-O新型相变薄膜。随着O含量掺入的增加,SnSb-O薄膜的非晶态电阻和晶态电阻都随之提高,晶化温度从158°C上升到240°C,提高了相变薄膜的非晶态热稳定性和数据保持能力,而且晶化前后电阻存在2个数量级以上的变化;SnSb-O薄膜的能带间隙也从掺氧前的1.19eV增加到了掺氧之后的1.63eV;在O掺入之后,SnSb-O薄膜的晶化也逐渐受到了抑制,在晶化过程中形成Sb的氧化物,减小了晶粒尺寸,增加了晶态电阻,降低了RESET过程的功耗;退火之后的薄膜随着氧含量的增加,SnSb-O薄膜均方根粗糙度(RMS)也逐渐减小,提升了器件的可靠性;SnSb-O薄膜的熔点温度在494°C,小于传统相变薄膜Ge_2Sb_2Te_5的熔点温度,大大降低了薄膜在器件应用中的功耗;此外,也发现过量的O掺杂会导致相变薄膜材料失去相变性能,无法被器件所应用。(3)开发出了不同厚度比的GeSb/SiO_2纳米复合多层相变薄膜。随着SiO_2绝缘层相对厚度的不断增加,GeSb/SiO_2多层薄膜的晶化温度逐渐提升,提高了薄膜的热稳定性;退火后的GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多层薄膜的表面均方根粗糙度从0.45nm增加到了0.53nm;非晶化过程GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多层薄膜(2.29ns)的相变时间小于Ge_2Sb_2Te_5(3.56ns),同时GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多层薄膜的阈值电压(3.57V)也小于Ge_2Sb_2Te_5(4.18V),从而拥有更低的操作功耗;
【学位单位】：江苏理工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34;TP333
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 半导体存储器简介
        1.1.1 动态和静态随机存储器
        1.1.2 铁电随机存储器
        1.1.3 Flash存储器
        1.1.4 相变存储器
        1.1.5 磁存储器
        1.1.6 阻变存储器
    1.2 相变存储器概述
        1.2.1 相变存储器定义及原理
        1.2.2 相变存储器的发展历史
    1.3 相变存储器研究现状
        1.3.1 相变存储器材料研究
        1.3.2 相变存储器结构研究
    1.4 相变存储材料面临的问题及解决方案
        1.4.1 SET操作速度不够快
        1.4.2 数据保持能力不高
        1.4.3 RESET电流/电压过大
    1.5 本文的研究意义及内容
        1.5.1 研究意义
        1.5.2 研究内容
第二章 Cu掺杂SnSe的Se基纳米复合薄膜材料的研究
    2.1 引言
    2.2 实验简介
        2.2.1 薄膜样品的制备
        2.2.2 冷热台测试方法
        2.2.3 能带间隙测试
        2.2.4 相结构测试
        2.2.5 表面形貌测试
        2.2.6 相变时间测试方法
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 电阻随温度变化特征和热稳定性分析
        2.3.2 光学带隙
        2.3.3 相结构
        2.3.4 表面形貌
        2.3.5 薄膜粗糙度
        2.3.6 相变速度研究
    2.4 本章小结
第三章 O掺杂SnSb的Sb基纳米复合薄膜材料的研究
    3.1 引言
    3.2 实验简介
        3.2.1 薄膜样品的制备
        3.2.2 薄膜样品电学、光学及相结构测试
        3.2.3 薄膜样品XPS图谱测试
        3.2.4 薄膜样品DSC曲线测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 相变特性和热稳定性分析
        3.3.2 禁带宽度
        3.3.3 相结构
        3.3.4 元素间的键结构
        3.3.5 热学分析
        3.3.6 表面形貌及粗糙度分析
        3.3.7 RESET过程中的皮秒激光图像
    3.4 本章小结
2纳米复合多层相变薄膜材料的研究'>第四章 基于Sb基的GeSb/SiO₂纳米复合多层相变薄膜材料的研究
    4.1 引言
    4.2 实验简介
        4.2.1 薄膜制备
        4.2.2 PCRAM器件单元制备
        4.2.3 薄膜基本性能表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 相变特性
        4.3.2 十年数据保持力
        4.3.3 光学带隙
        4.3.4 相结构
        4.3.5 微观形貌
        4.3.6 相变时间
        4.3.7 薄膜厚度变化
        4.3.8 器件电性能测试
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 论文总结
    5.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间研究成果

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本文编号：2860551