用于相变存储器的Sb-Te基和Sb基相变材料研究

摘要

随着便携式电子产品的快速发展,市场对不挥发存储器的需求急剧增长。作为目前主流的不挥发存储技术,闪存在商业上取得了巨大的成功,它被广泛地应用在分立式和嵌入式芯片中。然而,其较长的擦写时间和有限的擦写次数,不能满足未来技术发展的要求,而且由于自身物理机理上的限制,闪存单元尺寸的缩小遇到了很多的技术瓶颈。因此,人们都在积极寻求可替代闪存的新一代不挥发存储器技术。相变存储器(Phase-change Random Access Memory,简称PRAM)因为具有读写速度快(ns量级)、循环次数高、功耗低以及和现有的CMOS工艺兼容等优点,被认为最有可能成为未来可通用的新一代不挥发存储器技术。
　　 近10年来,PRAM相关技术的研发取得了很大的进展,但是目前仍然存在一些需要改善和解决的问题,如RESET电流较大、高温下的数据保存寿命有待提高、器件的失效机理理解等。前面两个问题与相变存储材料的性能密切相关,因此优化相变材料的性能非常重要,这方面的研究工作主要集中在两个方面:一是对传统Ge2Sb2Te5材料进行掺杂改性,二是研究新型相变存储材料。本论文从新型相变存储材料的开发和优化着手,尝试寻求解决方案,主要进行了以下几方面的研究:
　　 (1)研究了三元Si-Sb-Te相变材料体系。研究表明,Si-Sb-Te薄膜的非晶态/晶态电阻率之比在105以上,厚度变化率小于3％。随着Si浓度的增加或Sb/Te值的减小,晶态电阻率显著增加,并且晶化温度和非晶态热稳定性随之提高。与Ge2Sb2Te5材料相比,该材料体系具有更低的熔点、更高的晶态电阻率和优异的非晶态热稳定性。器件测试和热学模拟结果表明,采用Si-Sb-Te材料作为存储介质可以显著降低器件的RESET电流。
　　 (2)研究了N掺杂Ge15Sb85薄膜用作存储介质以提高器件在高温下的数据保存寿命的可能性。研究表明,掺杂的N主要与Ge15Sb85薄膜中的Ge结合形成Ge3N4,并且集聚到晶界上,束缚晶粒的长大,使晶粒细化。薄膜的非晶态和晶态电阻率因N掺杂而显著增加。与Ge2Sb2Fe5材料相比,N掺杂Ge15Sb85具有更为优异的非晶态热稳定性,其非晶态能够保存10年的最高温度高于147℃,这将提高器件在高温下的数据保存寿命。器件的I-V和R-V特性曲线证实了N掺杂Ge15Sb85薄膜具备存储特性和高速SET转变特性。
　　 (3)开发出新型的富含Sb的二元Si-Sb相变材料。研究表明,结晶后Si-Sb薄膜具有类似于Sb的六方晶体结构。随着Si浓度的增加,Si-Sb材料的晶化温度升高,晶粒尺寸减小,非晶态和晶态电阻率提高。Si15Sb85组分具有比Ge2Sb2Te5材料更为优异的非晶态热稳定性,其非晶态能在140℃保存10年。
　　 对Si15Sb85组分进行N或O掺杂改性。掺杂N后,N与Si结合形成Si3N4,束缚了晶粒生长。非晶态和晶态电阻率随着N掺杂浓度的增加而增加。N掺杂还提高了Si15Sb85薄膜的晶化温度和非晶态热稳定性。掺杂O后,O优先与Si结合形成SiO2。O掺杂导致非晶态和晶态电阻率增加。与N掺杂不同的是,当O掺杂浓度较低时(14.5at.％),O掺杂降低了晶化温度和非晶态热稳定性,而进一步增加掺杂浓度后(32.8at.％或更高),晶化温度反而升高。器件的I-V和R-V特性曲线证实了N掺杂和O掺杂Si15Sb85薄膜都具备存储特性和高速SET转变特性。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 闪存和几种新型不挥发存储器的性能比较

1.2 相变存储器的存储原理

1.3 相变存储器的存储介质

1.3.1 相变存储器对存储介质的性能要求

1.3.2 相变存储材料

1.4 相变存储器的研究进展

1.5 相变存储器目前所面临的主要问题及解决方法

1.5.1 降低RESET电流

1.5.2 提高高温下的数据保存寿命

1.6 本文的研究意义及研究内容

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

参考文献

第二章 实验条件和分析测试方法

2.1 薄膜样品的制备和分析

2.1.1 薄膜材料的制备

2.1.2 薄膜性能分析手段

2.2 器件原型的制备和测试

2.2.1 制备工艺流程

2.2.2 器件电学特性测试

2.3 本章小结

参考文献

第三章 Si-Sb-Te相变薄膜

3.1 薄膜的制备

3.2 Si浓度对薄膜性能的影响

3.2.1 非晶态和晶态的电学性能

3.2.2 结构分析

3.2.3 晶化温度和熔点

3.2.4 非晶态热稳定性

3.2.5 结晶对薄膜厚度的影响

3.3 Sb/Te组分对薄膜性能的影响

3.3.1 非晶态和晶态的电学性能

3.3.2 结构分析

3.3.3 非晶态热稳定性

3.3.4 结晶对薄膜厚度的影响

3.4 器件的电学特性测试

3.4.1 Ⅰ-Ⅴ特性

3.4.2 SET转变特性

3.4.3 RESET转变特性

3.4.4 器件的开/关比

3.4.5 转变机制分析

3.5 小尺寸结构器件的热学模拟分析

3.5.1 模型建立

3.5.2 器件的RESET电流模拟

3.6 本章小结

参考文献

第四章 N掺杂Ge15Sb85相变薄膜

4.1 薄膜的制备

4.2 薄膜的性能分析

4.2.1 N掺杂对Ge15Sb85中元素的化学键态的影响

4.2.2 N掺杂对Ge15Sb85晶体结构和晶粒大小的影响

4.2.3 N掺杂对Ge15Sb85能带的影响

4.2.4 N掺杂对Ge15Sb85电阻率的影响

4.2.5 N掺杂对Ge15Sb85非晶态热稳定性的影响

4.2.6 结晶对薄膜厚度的影响

4.3 器件的电学特性测试

4.3.1 Ⅰ-Ⅴ特性

4.3.2 SET和RESET转变特性

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

参考文献

第五章 Si-Sb相变薄膜及其掺杂改性

5.1 薄膜的制备

5.2 Si-Sb薄膜的性能分析

5.2.1 结构分析

5.2.2 薄膜的光学带隙

5.2.3 薄膜的电阻率

5.3 N或O掺杂Si15Sb85薄膜的性能分析

5.3.1 掺杂对Si15Sb85电阻率的影响

5.3.2 掺杂对Si15Sb85中元素的化学键态的影响

5.3.3 掺杂对Si15Sb85晶体结构和晶粒大小的影响

5.3.4 掺杂对Si15Sb85能带的影响

5.3.5 掺杂对Si15Sb85非晶态热稳定性的影响

5.3.6 结晶对薄膜厚度的影响

5.3.7 分析与讨论

5.4 器件的电学特性测试

5.4.1 N掺杂Si15Sb85器件

5.4.2 O掺杂Si15Sb85器件

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和专利