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基于硫系化合物的相变存储器(Phase-change Random Access Memory,简称PRAM)具有不挥发性、循环寿命长(大于10<13>次)、功耗低、读/写速度快、抗辐射以及和现有的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存储器技术,从而成为当前存储器领域的研发热点之一。
然而,PRAM在真正实现商用化之前还需要解决诸如器件的RESET电流过人等问题。其中降低RESET电流是当前最需要迫切解决的问题,因为RESET电流过大严重制约了PRAM技术在高密度存储方面的发展。降低RESET电流可以从两个方面来考虑:一方面,对常用的Ge-Sb-Te材料掺杂改性或者开发新型相变存储材料；另一方面,减小存储单元尺寸和相变薄膜厚度,从而减小相变区域。本文从优化相变材料方面着手,采用磁控溅射方法制备了电极材料和相变存储薄膜,利用微电子工艺制备了PRAM器件原型,并系统研究了Ge-Sb-Te、Si-sb-Te和掺杂si的Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>相变薄膜的结构、结晶特性、电学特性以及器件的转变特性。
采用三靶(Ge、Sb和Te靶)共溅射的方法制备了二种理想配比的Ge-Sb-Te薄膜(Ge<,1>sb<,4>Te<,7>、Ge<,1>sb<,2>Te<,4>和Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>).XRD结果表明,随着退火温度的升高,Ge-Sb-Te薄膜发生从非晶相到面心立方(FCC)晶相再到六方(HEX)晶相的转变过程。随着退火温度的升高,薄膜的电阻率出现了两次急剧的下降,分别对应晶化过程和从FCC晶相到HEX晶相的转变过程,非晶态/晶态的电阻变化率可达10<5>。大尺寸Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>器件在现有的脉冲条件下无法实现从低阻态向高阻态的RESET转变。分析表明,提高薄膜的晶态电阻率可以有效降低器件的RESET电流。
采用Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>合金靶和Si靶共溅射的方法制备了不同Si掺杂浓度(4.1、7.2和11.8at.﹪)的Ge-Sb-Te-Si薄膜.si掺杂可以在不降低电阻变化率的前提下显著提高Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>薄膜的品态电阻率.si掺杂提高了薄膜的晶化温度,同时抑制FCC晶相向HEX晶相转变。退火后,Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>薄膜的厚度减小了6.8﹪,Ge-Sb-Te-Si薄膜的厚度变化率与之相比略有降低。器件测试结果表明,si掺杂可以显著改善器件的RESET转变特性,实现了在高阻态(RESET态)和低阻态(SET态)之间反复转变.这种反复转变模式是基于晶化通道方式的转变。在改善RESET转变特性的同时,Si掺杂降低了器件的SET转变速度。
采用三靶(Si、Sb和Te靶)共溅射的方法制备了Si-Sb-Te薄膜(Si<,3.9>Sb<,45.6>Te<,50.5>、Te<,50.5> 、Si<,10.7>Sb<,39.5>Te<,49.8>和Si<,16.4>Sb<,32.5>Te<,51.1>).Si-sb-Te薄膜退火后主要为Sb<,2>Te<,3>晶相。非晶态/晶态的电阻变化率高于10<5>,最高可达10<7>.Si-sb-Te薄膜的熔点均低于600℃,其厚度变化率小于3﹪.采用晶粒包裹模型分析了Si-Sb-Te薄膜厚度变化率小的原因.Si-Sb-Te器件可以在高阻态(RESET态)和低阻态(SET态)之间反复转变,并且RESET电流随着薄膜中si浓度的增加而逐渐减小.Si<,10.7>Sb<,39.5>Te<,49.8>和Si<,16.4>Sb<,32.5>Te<,51.1>器件的SET速度可达100ns,RESET和SET功耗在pJ量级。结果表明,采用合适组分的Si-Sb-Te薄膜作为存储介质,可以在保证高速SET转变的同时,显著降低RESET电流。