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用于相变存储器的硫系化合物及器件研究

2020-11-23阅读(957)

用于相变存储器的硫系化合物及器件研究

论文摘要

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。在非晶态，这两种峰都有，晶态时GeTe4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相的晶格常数，随着N含量的增加，晶格常数a增加，c减小。然后对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11nm增加增加到110nm，导致GST结晶温度从结晶温度从148℃减少到135℃，并且热稳定性下降很多，最后从热力学角度进行了分析。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Ireset的大小。模拟了PCRAM相变材料厚度，下电极尺寸，GST电阻率对Ireset的大小影响。随着相变材料厚度增加，Ireset呈下降趋势；随着下电极截面积减少，Ireset呈下降趋势；随着相变材料电阻率增加，Ireset呈下降趋势。模拟了发热层对PCRAM单元Ireset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Ireset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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 相变存储器的写、擦和读操作
  • 1.3 用于相变存储器的材料的特性要求
  • 1.4 相变材料研究历史
  • 1.5 SbTe合金和GeSbTe合金的特性
  • 1.6 相变存储器的基本特性和问题
  • 1.6.1 相交存储器的基本特性
  • 1.6.2 相变存储器中的问题
  • 1.7 本论文的研究目的及内容
  • 参考文献
  • 2Sb2Te5材料结构和电学性能'>第二章 Ge2Sb2Te5材料结构和电学性能
  • 2.1 引言
  • 2.2 样品的制备
  • 2.3 ICP分析
  • 2.4 退火温度对电阻率的影响
  • 2.5 XRD分析
  • 2.6 Raman分析
  • 2.7 膜厚对晶体结构的影响
  • 2.8 膜厚对薄膜电性能的影响
  • 2.9 相变存储器单元的Ⅰ-Ⅴ特性
  • 2.10 分析与讨论
  • 2.11 本章小结
  • 参考文献:
  • 2Sb2Te5的热稳定性研究'>第三章 N和Si掺杂的Ge2Sb2Te5的热稳定性研究
  • 3.1 引言
  • 2Sb2Te5薄膜结构和电性能影响'>3.2 掺N对Ge2Sb2Te5薄膜结构和电性能影响
  • 3.2.1 样品的制备
  • 3.2.2 测试结果
  • 3.2.3 分析与讨论
  • 2Sb2Te5薄膜结构和电性能影响'>3.3 掺Si对Ge2Sb2Te5薄膜结构和电性能影响
  • 3.3.1 样品的制备
  • 3.3.2 测试结果
  • 3.3.3 分析与讨论
  • 2Sb2Te5薄膜热稳定性的影响'>3.4 掺Si,N对Ge2Sb2Te5薄膜热稳定性的影响
  • 3.4.1 样品的制备
  • 3.4.2 电学测量
  • 3.4.3 DSC测量
  • 3.4.4 SEM观察
  • 3.4.5 Raman谱
  • 3.4.6 XPS测试
  • 3.4.7 分析与讨论
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2Sb2Te5热稳定性的影响'>第四章 薄膜厚度对Ge2Sb2Te5热稳定性的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 样品的制备
  • 2Sb2Te5薄膜结晶温度的影响'>4.3 膜厚对Ge2Sb2Te5薄膜结晶温度的影响
  • 2Sb2Te5薄膜结晶孕育时间的影响'>4.4 膜厚对Ge2Sb2Te5薄膜结晶孕育时间的影响
  • 4.5 分析与讨论
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献:
  • 第五章 相变存储器热学特性模拟
  • 5.1 引言
  • 5.2 PCRAM热学模型
  • reset影响'>5.3 尺寸和GST材料对Ireset影响
  • reset影响'>5.3.1 GST厚度对Ireset影响
  • reset影响'>5.3.2 电极尺寸对Ireset影响
  • reset影响'>5.3.3 GST电阻率对Ireset影响
  • reset影响'>5.4 加热层对Ireset影响
  • reset影响'>5.4.1 加热层电阻率对Ireset影响
  • reset影响'>5.4.2 加热层热传导系数对Ireset影响
  • reset影响'>5.4.3 加热层比热对Ireset影响
  • 5.5 参数优化的例子
  • 5.6 本章小结
  • 参考文献:
  • 第六章 边接触结构相变存储器的制备
  • 6.1 引言
  • 6.2 器件参数与版图
  • 6.3 PCRAM器件工艺流程
  • 6.4 PCRAM器件制备工艺
  • 6.4.1 清洗
  • 6.4.2 介质层
  • 6.4.3 光刻
  • 6.4.4 薄膜沉积
  • 6.4.5 薄膜粘附性问题
  • 6.4.6 下电极刻蚀问题
  • 6.5 PCRAM器件测试结果与分析
  • 6.5.1 DCI—V曲线
  • th'>6.5.2 阀值电压Vth
  • 6.5.3 RESET电流
  • 6.6 本章小结
  • 参考文献:
  • 第七章 总结
  • 博士期间论文与会议一览
  • 致谢

    • 相关论文文献

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