（微电子学与固体电子学专业论文）相变存储器新型器件性能及热模拟.pdf

摘要 从2 0 0 1 年i n t e l 在i e d m 发表第一篇相变存储器的论文至u 2 0 0 7 年s a m s u n g 发表5 1 2 m b 的p c m 实验数据，相变存储器的发展迅猛。i n t e l 甚至在2 0 0 6 年第2 l 届非挥发性半导体内存学术会议上称“3 2 n m 以后是相交存储器的时代”。相变存 储器由于其工艺简单，操作速度快，抗疲劳和保持特性好，与c m o s 工艺兼容， 是下一代非挥发存储器的有力的竞争者。 相变存储器( p c m ) 是通过电脉冲改变g s t 材料的多晶和非晶状态来改变电 阻的，目前面临的主要问题是操作电流过大，解决的方法是减小整个存储单元的 特征尺寸或者优化相变材料性能。 减小特征尺寸将减小相转换所需的能量从而减小电流，同时还提高了存储密 度。但是由于受光刻条件的限制，相变材料的特征尺寸不能无限制的减小，所以 人们开始设计研究各种不同的存储单元结构，比如边墙结构，ut r e n c h 以及环 状结构。本文提出了另外两种新型的存储单元结构g e 2 s b 2 t e 5 一t f t 器件结构和 1 t 2 r 结构。经过实验，我们对结构的性能有了更深入的了解，并为进一步的应用 打下了基础。通过建立热学模型模拟器件尺寸，结构，材料特性对相变存储器 r e s e t 电流的影响，对提高器件性能提供依据。p c m 的电阻改变是通过电脉冲控 制g s t 材料的温度来实现的，因此了解写操作过程中p c m 的热学特性对于理解其 工作非常重要。 优化相变材料性能是解决操作电流大的又一条途径，实验也发现对g s t 掺杂 s i 可以提高材料晶态的电阻率，从而降低电流。我们从微观角度建模对其机理进 行探讨。 本文共分5 章。第l 章介绍相变存储器材料g e s b t e 的特性以及相变存储器的特 性。第2 章介绍新型相变存储器g e 2 s b 2 t e 5 一t f t 器件结构和性能。第3 章介绍新 型的1 t 2 r 结构相交存储器及其热学特性模拟。第4 章微观角度探讨g s t 掺杂s i 的 机理。第5 章做整体总结论述。 关键词： 相变存储器( p c m ) ；非挥发存储器；t f t ；1 t 2 r ；热模拟；s i 掺杂 i l l a b s t r a c t t h er e c e n td e v e l o p m e n to fp c mt e c h n o l o g yi sf a s t i to n l yt a k e ss i xy e a r sf r o m t h ei n t e lc o m p a n yp u b l i s h e dt h ef i r s tp a p e ra b o u tp c mt ot h es a m s u n gc o m p a n yp u t f o r w a r dt h e5 1 2 m bp c mt e s tc h i pi n2 0 0 7 i nt h e2 1 n o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o r m e m o r ys y m p o s i u m ，t h ei n t e lc o m p a n yd e c l a i m e d ：t h e3 2 n mn o db e y o n db e l o n g st o p c m ”a sp c mh a sr a t h e rs i m p l ep r o c e s s ，f a s to p e r a t i o ns p e e d ，g o o de n d u r a n c ea n d r e t e n t i o np r o p e r t i e s ，a sw e l la sg o o dc o m p a t i b i l i t y 、v i t hc m o st e c h n o l o g y ，i ti so n eo f t h em o s th o p e f u lc a n d i d a t e so fn e x tg e n e r a t i o nn o n v o l a t i l em e m o r y h o w e v e rt h ep c mh a st h em o s ts e r i o u sp r o b l e m h i 曲r e s e tc u r r e n t g e n e r a l l y ， t h e r ea r et w ow a y st os o l v et h i sp r o b l e m ：o n ei sr e d u c i n gt h ec o n t a c ta r e aa n dt h e o t h e ri si m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so fp h a s ec h a n g em a t e r i a l s m a l l e rf e a t u r es i z ec a l l d o w n s c a l et h ec u r r e n ta n di n c r e a s e st h e d e n s i t y ，h o w e v e r , r e s t r i c t e db yt h e l i t h o g r a p h i ct e c h n o l o g y ，t h es i z ec a n n o tb e d o w n s c a l e dw i t h o u tl i m i t a t i o n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e d i f f e r e n tc e l ls t r u c t u r e sw e r e p u tf o r w a r d , s u c ha ss i d ew a l l ，ut r e n c h , r i n gt y p ea n ds oo n i nt h i st h e s i s t w oo t h e rs t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d , g e 2 s b 2 t e 5 f 盯a n d1 t 2 r s t r u c t u r e b a s e do ne x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n , w eg e tad e e p e ra c k n o w l e d g eo f t h e k p e r f o r m a n c e s i n c e i np c m ，d a t as t o r a g ei si m p l e m e n t e db ya ne l e c t r i ci n d u c e d t h e r m a lp h a s e c h a n g eb e t w e e nt h ec r y s t a l l i n ea n da m o r p h o u ss t a t e si nac h a l c o g e n i d e p h a s ec h a n g e t h i nf i l m t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h et h e r m a le f f e c t i n f l u e n c e db yt h ec e l ls t r u c t u r e i m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so fp h a s ec h a n g em a t e r i a li sa n o t h e re f f e c t i v ew a y i ti s f o u n dt h a ts i - d o p i n gi ng s tc a l lr e d u c et h ei ”“w ed or e s e a r c h e so nt h em e c h a n i s m f r o mam i c r ov i e w t h i st h e s i si sc o m p o s e do f5c h a p t e r s c h a p m rid e p i c t st h ed e v e l o p m e n to f b o t h t h ep h a s e - c h a n g em a t e r i a la n dp r a m c h a p t e r2i n t r o d u c e san o v e lg e 2 s b 2 t e 5t h i n f i l mt r a n s i s t o ra n di t sc h a r a c t e r i z a t i o n c h a p t e r3p u t sf o r w a r dt h e1 t 2 rs t r u c t u r ea n d i t sh e a ts i m u l a t i o n c h a p t e r4a n a l y s e st h em e c h a n i s mo fs i d o p i n gi ng s t c o n c l u s i o n sa r em a d ei nc h a p t e r 6 k e yw o r d s ： p h a s e - c h a n g er a n d o ma c c e s sm e m o r y ( p 酬v 0 ；t f t ；1 t 2 r ；s i d o p i n g i v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名： 论文使用授权声明 日舻孕：兰 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近两年随着计算机和移动通讯技术的快速发展，对存储器的要求也越来越 高，不但要求其体积小，功耗低、成本低、读，写速度快，而且还要具有不挥发 性，即在掉电的情况下仍然能保存数据。目前使用最广泛的不挥发存储器是基于 浮栅( f l o a t i n gg a t e ) 的“闪存”( f l a s hm e m o r y ) ，但当f l a s h 用于下一代 非挥发存储器时，遇到写入速度相对慢、工作电压高等不利的因素，而且浮栅厚 度的限制也使它很难随着集成电路技术的进一步发展而突破3 2 n m 瓶颈。这些都 使得f l a s h 难以满足下一代不挥发存储器的需求。 因此，目前世乔上几乎所有电子和半导体行业巨头包括i n t e l ，i b m ， m o t o r o l a ，s o n y ，n e c ，s a m s u n g 等都在竞相研发继f l a s h 之后的新一代不挥发 存储器技术，以期在未来激烈的半导体产业竞争中保持技术和市场优势。目前研 究的新型非挥发存储器主要有相变存储器、铁电存储器( ( f e r r o e l e c t r i cr a m ， f e r a m ) 、磁存储器( m a g n e t i cr a m ，m p a m ) 等。 作为目前非挥发存储器的代表，闪存f l a s h 用于下一代非挥发存储器时，有 其不利的地方：( 1 ) 读写速度较慢，不利于与高速微处理器匹配实现嵌入式系统： ( 2 ) 工作电压偏高，不利于低功耗，与主流电路不匹配，需加增压泵电路，其 附加电路增加器件数和面积；( 3 ) 可读、写、擦的次数相对少。 磁存储器的目前的主要问题有：读出窗口小、隧穿电阻波动大、写入时对 其他单元干扰较大等。读出窗口小，是因为顺磁与反磁条件下m t j 的电阻差异 小( 3 0 左右) ：隧穿电阻波动大，是由于隧穿电流对氧化层的厚度极其敏感；写 入时有较大的干扰，主要是由于写入时是通过磁场作用，其影响不易消除。 铁电存储器面临的主要问题有：破坏性的读出，读操作后需要回写：这样会 影响铁电存储器的寿命，当铁电薄膜集成到器件中，保持特性随铁电薄膜厚度的 降低而退化，对于高密度集成，铁电存储器还有不少问题有待解决。 与上面几种存储器相比，相变存储器( 图1 1 ) 有以下特点：( 1 ) 抗疲劳特 性好；( 2 ) 数据保持性好，室温下可达1 0 年；( 3 ) 读写速度快；( 4 ) 非破坏性读 操作；( 5 ) 可直接重写：( 6 ) 每个记忆单元是一种夹层垂直结构，这种简单的 垂直结构，可以容易与按比例缩小，高密度的u l s i 工艺结合；( 7 ) 与c m o s 工 艺兼容性好，它的工艺在标准c m o s 后端工艺中，并且附加光刻数量可以不超过4 个；( 8 ) 通过材料优化，体积缩小，相变存储器读写电压可以降到l v 左右，这 与下一个工艺节点u l s i 的电源电压相匹配；( 9 ) 可实现多值存储；( 1 0 ) 容易 实现三维结构。 第一章绪论 因此在新一代不挥发存储器技术中，基于硫系化合物薄膜的相变存储器p c m ( p h a s ec h a n g em e m o r y ) ，被认为最有希望成为未来可通用的新一代不挥发存 储器，成为目前国际上研究的一个热点。表1 是p c m 和其他非挥发存储器以及挥 发性的s r a m 、d r a m 的比较。 表1 1 各种不同存储器性能比较 相变存储器( p c m ) 以硫系化合物为存储介质，通过写电流产生焦耳热使存 储介质发生结构相变，利用相变物质在晶态和非晶态结构之间高达四个数量级的 阻值差来存储二进制数据“0 ”和“1 ”；在不破坏其材料结构的条件下给存储元 以适当的电流或电压脉冲，通过测量出的阻值状态读取所存储的信息。 上个世纪六十年代，发明家s t a n f o r do v s h i n s k y 开始集中地研究这种材料 。现在，主要的电子和半导体公司，包括a m d ，i n t e l ，p a n a s o n i c ，p h i l i p s ，s o n y ， a n ds te l e c t r o n i c s ，都设立了r d 项目来研发相变存储。2 0 0 5 年，美国国际 商用机器公司( i b m ) 和德国内存制造商英飞凌公司与中国台湾的旺宏公司合作， 开发下一代存储技术相变存储，着眼于“摩尔定律”之后的信息技术发展。 2 0 0 6 年，英特尔与s t 合作，联合开发相变存储器。据s t 公司称，容量达数g b 的p c m 将采用0 0 4 5 或0 0 3 2 微米工艺、预计将在2 0 0 7 年之后生产样品，2 0 0 8 年后进行大量生产。此前，s t 公司曾表示将在2 0 0 5 年生产出p c m 样品；英特尔 公司也曾表示，p c m 产品可能会采用0 0 2 2 微米工艺，这将意味着它的大量生产 将在2 0 1 0 年之后。 1 2 硫系化合物g s t 的晶态和非晶态结构 所谓硫系化合物是指的在i v a 族元素的单质中掺入一些其它元素( 主要是 i v a 、v a 族) 组成的化合物，如图1 1 。 2 第一章绪论 图1 1 硫系化合物元素( 红色为常用硫系化合物元素) 相变存储器件中使用最多的材料就是g e - s b - t e 合金，简称g s t 。g s t 非晶薄膜也广 泛应的应用于光盘存储中。这种材料有两种状态：非晶态( 又称无定型态) 和晶 态，如图1 2 。它有以下几个特点“1 ： 1 ) 在室温下有很高的热稳定性，可保存3 0 年； 2 ) 两种状态间的折射率和电阻率差别很大； 3 ) 很高的可靠性，可在非晶和晶态之间反复使用； 4 ) 相转变可以被精确的线性地控制。 第一章绪论 a m o r p h o u sp h a s ec r y s t a l l i n ep h a s e t e m l m a g e s e l e c t r o n d 附隐c t i o n p a t t e r n s 图1 2g s t 材料的晶相和非晶相 研究表明g s t 材料在晶体状态下存在两种结构，一种稳定的六角密堆积结构 ( h c p ) 和一种半稳定的面心立方( f c c ) 结构。在相变存储器件的写操作温度快速 降低的过程中，g s t 材料主要形成半稳的面心立方结构。 图1 3g s t 材料的面心立方晶体结构 非晶态g s t 半导体结构具有短程有序的特点。非晶半导体的结构虽然不具有长程 有序性，但其中原子的排列也不是完全杂乱无章的，而是在一个原子或几个原子 间距范围内，其排列仍遵从一定规律。例如，在非晶硅中每一个硅原子周围仍是 4 个最近邻硅原子，但它们的排列仍大体上保持单晶硅中的四面体结构配位形式， 只是键角和键长发生了一些畸变，任意二个键之间的夹角不象单晶硅那样都是 4 第一章绪论 1 0 9 。2 87 ，而是随机的分布在1 0 9 。2 87 1 0 。的范围内。非晶态固体中的这 种特征称为短程有序“1 。 非晶态g s t 半导体结构的另一个特征就是其亚稳性。非晶半导体的制备一般 有两种方法：从液态快淬冷却法；真空蒸发、溅射、辉光放电及c v d 法，前者一 般制得是玻璃态的，后者一般是薄膜状，得到的非晶态半导体都不是处于平衡态， 而是处于非平衡态，自由能比晶态的高，称为亚稳态。由于热激活或其他外来因 素的作用，非晶态固体的结构有可能发生某些局部变化，同时伴有自由能的降低， 这就是退火能使非晶态固体性质发生变化的原因。 图1 4 非晶态g s t 的原子结构示意图 1 3 硫系化合物g s t 的相转换过程 迄今为止，人们提出了两种硫系化合物的相转换机理，一种是奥弗辛斯基域 值转换( o v o n i ct h r e s h o l ds w i t c h i n g ，o t s ) ，另一种是奥弗辛斯基记忆转换 ( o v o n i cm e m o r ys w i t c h i n g ，o m s ) 。这两种转换机制的命名都来自于最早研究 硫系化合物半导体转换的研究者奥弗辛斯基( s r o v s h i n s k y ) 。 所谓o t s 转换，就是指一种可逆的，在电场引导下非晶态半导体从高电阻状 态下转换到低电阻状态的过程，如图1 5 。当电阻下降到一定值的时候，在某些 半导体材料中还会继续第二种机制的转换，即o m s 。这时非晶态半导体在电流的 焦耳热作用下由非晶态转换成多晶态，发生相变，当然这也是可逆的。迄今为止， 对o t s 转换更深层次的物理机制还在研究中。有不少研究者都认为这种转换完 全是热效应，阈值电压达到v t h 后电流的快速增长( 负阻效应) 是因为材料中产 生了热的“灯丝”( h o tf i l a m e n t ) 。另一部份研究者却认为o t s 不是热效应，而 是由电场引起的载流子产生。遗憾的是，这些理论都仅仅停留在模型阶段，并没 第一章绪论 有任何实验来证明。 宝 1 山 挎 叱 叱 3 c ) h v hv t v o l t a g e 1 图1 5 奥弗辛斯基域值转换 ( o v o n i ct h r e s h o l ds w i t c h i n g ，o t s ) 示意图 在很多材料中都观测到了o t s 和0 m s 转换，比如二氧化镍，过渡金属氧化物， 非晶硅，金属一半导体一金属结构，硫系化合物，二氧化钽等。当然目前应用最广 泛的材料还是硫系化合物的g e s b - t e 的合金。 g s t 的典型i 吖特性曲线如图1 6 所示。当处于多晶态时，其i - v 曲线基本 符合欧姆特性，随着外加偏压的增加，流经g s t 的电流逐渐增大，当电流达到图 中所标识的r e s e t 位置时，局部熔融的g s t 在淬冷过程中来不及规律性地成键， 材料便进入非晶态，电阻增大导致电流迅速减小；在非晶态时，如果令电流增大 至v 。对应的临界电流，o t s 发生。电场从g s t 中诱导出足够多的电子，材料便进 入暂时的可逆低阻态，对应电流迅速增大的同时，电压却有一个回扫。这个过程 以后g s t 材料仍然是非晶态的。接着相变过程即o m s 发生。诱导产生的电子促使 电流迸一步增大，在正反馈作用下达到图中的s e t 位置，g s t 便成键进入多晶态， 对应于稳定的低阻态，这时电流撤去避免继续加热使g s t 熔化。相变材料的多晶 与非晶两种稳定的组态构成了存储器完成数据记忆的基础。 6 第一章绪论 v o y a g et v 图1 6 实验得到的晶态和非晶态g s t 的i v 曲线0 1 1 4 相变存储器件的结构和电路实现 相变存储器是一个2 端的薄膜器件，如图1 7 “所示。最常见的相变存储器 件的结构如图1 7 所示。最上层是金属互联层，接下来是硫系化合物的相变材料 层也就是存储数据的区域。再下面是下电极( 可能会含有辅助加热层) 。 图1 7 相变存储器件的截面示意图 目前应用最广泛的相交存储单元当属1 t i r 的串联结构，图1 8 为其示意图。 m o s 管作为选通管，源、漏中一端接地，另一端与作为存储介质的相变材料相连， 而相变材料的另一端则与位线相连。由于相变材料在多晶态与非晶态分别具有低 7 【v呈芒詈30 第一章绪论 阻与高阻两种对外表象，因而这一单一存储单元可以用来存储“0 ”或“l ”即一 位二进制数据。 l 一一 图1 8 ：相变存储器的一般单元配置 外围电路通过从位线向g s t 单元注入不同的写电流来实现材料在高或低阻值之 间的转换。当选通m o s 管被选中，由位线向6 s t 单元注入一个高而短的脉冲电流 后，材料进入非晶态( 高阻态) ，对应的逻辑值为“0 ”；若位线向g s t 单元注入 一个低而长的脉冲电流，则材料进入多晶态( 低阻态) ，对应的逻辑值为“1 ”。 上述两种写脉冲的形状如图1 9 所示m 。读操作则是在读取g s t 单元所存储的数 据时，在位线上加一个不至于使材料发生相变的较小的读电压，通过测取电流的 大小判别当前的记忆状态。 m 粥 i 苎批 m击一窭。ne搴上| 第一章绪论 图1 t9 ：相交存锗器的读写时序示意图 相变存储器作为新兴的非挥发存储器，其外围电路与其他的非挥发存储器相 比既有相似之处，又有自己的特殊性。 非挥发存储器的外围电路一般由译码电路，驱动电路和灵敏放大器三个部分 组成，译码电路用于提供选择存储单元的数字逻辑信号，其结构设计通用于不同 类型的存储器，对相变存储器也是一样；驱动电路是执行存储单元读写操作的核 心部分，这一部分对相变存储器而言具有特别的复杂性，因为对相变材料的读写 分别要提供三种不同类型的电流脉冲，驱动电路的规模和复杂度都不同于以往的 非挥发存储器：灵敏放大器负责对存储单元的不同记忆状态进行识别，由于相变 材料在多晶态和非晶态时的阻值一般可以跨越两个数量级以上，因此传统的灵敏 放大器都可以满足灵敏度的要求。 目前，相变存储器外围电路的设计实现主要聚焦在以下两个方面： 1 相交存储单元阵列与传统c m o s 工艺的集成 2 相变存储单元的读写可靠性 近年来各大半导体公司均在相变存储器的研发上取得了相当的进展： 早在2 0 0 2 年，i n t e l 就推出了采用0 1 8t tmc m o s7 - 艺用于超大规模集成电 路和嵌入式系统的容量为4 m 的分立相变存储器”1 ； 2 0 0 4 年，意法半导体报道了8 m 的相变存储器芯片，使用了3 v0 1 8 p m c m o s 工艺，其中存储单元的选通管采用了双极型晶体管，以增大读写驱动电流； 同年，美国空军研究实验室( a f r l ) 联合o v o n y x 公司和b a e 公司研发推出 了4 m 相变存储芯片，由于采用了抗辐射c 啪s 工艺，因而在外太空应用领域颇具 潜力嘲； 2 0 0 5 年，三星报道了6 4 m 的相变存储芯片，使用了3 v0 1 8 pm c m o s 工艺， 由于改善了写驱动电流的均匀性，因而极大地提高了存储单元阵列的规模，相对 而言外围电路所占面积比例大幅下降“”； 2 0 0 7 年，三星报道了2 5 6 m 的相交存储芯片，使用了1 8 v0 1l lm c m o s 工艺， 功耗，电流和单元面积都得到了进一步的降低1 ； 同年，三星又报道了5 1 2 m 的相交存储芯片，使用1 8 v9 0 h mc m o s 工艺。 由于使用二极管作为开关，将存储单元面积减小到了历史最低“”。 1 5 相变存储器中的问题 作为下一代非挥发存储器的热门候选者之一，相变存储器以高密度，低成 本、高速、与现有的c t o s 工艺兼容性好和小尺寸下各种优势更加突出等特点成 9 第一章绪论 为目前人们关注的焦点之一。然而，目前p c m 所面临的最大问题是：r e s e t 电 流太大，有毫安量级。这意味着p c m 存储单元中的c m o s 选通开关将很难提供足 够的操作电流。 由于操作电流较大( 主要是写操作电流) ，将引起其他方面的一系列问题， 如器件的可靠性，热干扰等等。而这些问题又影响着p c m 尺寸继续缩小的前景。 因此，操作电流大的问题已经成为制约p c m 进一步走向成熟和商业应用的最大 障碍。 对于相变存储器相对较大的r e s e t 电流，应对的方法和基本的思路主要有两 方面：( 1 ) 对器件几何尺寸进行优化，如减d 、g s t 材料与电极的接触面积，改变 接触形状；( 2 ) 对相变材料进行优化改性，找到适用于相变存储器的最佳成分， 对电极材料和周围介质进行性能优化。 r e s e t 电流与加热相变材料使其温度到熔点以上发生相变的热量有关。对 于g s t 材料，熔点是6 2 0 左右。如果减少发生相变材料的体积，则需要的焦耳 热也减少。研究表明。1r e s e t 电流，与流过下电极的电流密度有关，流过下电 极的电流密度越大，r e s e t 电流越小，也就是说减少电极和g s t 的接触面积。 为减少发生相变材料的体积一般工业界通过采用如0 1 8 微米甚至0 1 3 微米 工艺，或者用边墙技术减d 、g s t 材料的尺寸，进而降低需要发生相转换的g s t 体积，达到降低写操作电流的目的。 电极和g s t 的接触面积方面，2 0 0 4 年，意法半导体公司提出l i 沟道结构的 p e m 单元“”，如图1 1 2 。这种结构有效的电极和g s t 的接触面积。该结构的r e s e t 电流是0 6 m a 。 图1 1 2i l 沟道结构的p c m 单元顶视图和侧视图 1 0 第一章绪论 2 0 0 5 年，s a m s u n g 公司提出一种环状接触结构p c m 单元n 4 1 ，如图1 1 3 。与 传统的光刻同尺寸底电极结构相比，r e s e t 电流略有改善。 从材料的角度出发，如降低相变材料的熔点，这样就减少溶化材料到液态 需要的热量。增加相变材料的电阻率，增加相变材料的热导率，这样材料的发 热会增加，还有增加介质材料的热导率，增加电极的电阻等。例如s a m s u n g 公 司在g s t 中掺氮，其目的是提高g s t 的电阻率( 如图i 1 4 所示) ，降低g s t 的 操作电流，同时提升g s t 的结晶温度以改善工作温度下的稳定性。从图1 1 4 看 出，掺氮的g s t ，阻值明显提升而操作电流下降。 v e r f i e n t o p v i e w i ，。4 = ， ：一 。”o x i d e 4 -。e v d 一； t _ t 函。， t ，。；o 一； 图1 1 3 环状接触结构p c m 底电极示意图 3 | s 藿3 0 薹： 瞽 嚣1 。眵 麒 d 敦f 吐漕t o 一2 。d 嗵 。& 4 ， n 5n 6 r d 唧m r n t cf i 。o h 旧 图1 1 4 掺氮g s t 电阻和r e s e t 电流的关系 此外，相变存储器还面临阻值漂移问题、失效机理不清楚、工艺波动引起的 稳定性问题、材料本身的热稳定性等。 第一章绪论 1 6 本论文的研究目的及内容 从i n t e l 公司2 0 0 1 年发表第一片相变存储器的文章开始到现在才6 年时 间，p c m 的研究工作刚刚开始。g e 2 s b 2 t e 5 最早用于光盘，从开始研究到现在有 2 0 年，但其研究集中在光学特性，对于其用于p c m 需要的电学特性与结构的关 系是最近才开始研究。一方面，g e 2 s b 2 t e 5 是公认得用于p c m 成熟的材料，但它 的特性还在不断摸索中。特别是它用于p c m 后，器件对提出电学性能要求，使 g e 2 s b 2 t e 5 材料需要不断优化。 前面提到，对于相变存储器相对较大的r e s e t 电流，应对的方法和基本的 思路主要有两方面：( 1 ) 对器件几何尺寸进行优化，如改变接触形状；( 2 ) 对相 交材料进行优化改性。 针对这两问题，在本论文中分以下几个部分进行研究： 1 ( 1 )针对提高相变存储器的器件密度，制备了一种新型边接触结构的相 变存储器单元新型相变存储器g e 2 s b 2 t e 5 一t f t ； 2 ( 2 )提出了有一种新型的1 t 2 r 结构相变存储器，建立热学模型，从几何 尺寸，结构，相变材料等角度研究这些因素对器件性能的影响； 3( 3 ) 为了改善相变材料的性能，对g e 2 s b 2 t e 5 这种材料掺s i ，同时对其结 构和电学性能进行研究。提出了一种新的机理进行解释。 本文共分5 章。第l 章介绍相变存储器材料g e s b t e 的特性以及相变存储器的特 性。第2 章介绍新型相变存储器g e 2 s b 2 t e 5 一t f t 器件结构和性能。第3 章介绍新型 的i t 2 r 结构相变存储器及其热学特性模拟。第4 章微观角度探讨g s t 掺杂s i 的机 理。第5 章做整体总结论述。 第二章g c 2 s b 2 t c 5 - t f t 器件结构和电能性能 第二章g e 2 s b 2 t e 5 - t f t 器件结构和电能性能 2 1 引言 在一般p c m 存储元结构中，硫系化合物相变存储材料三明治式夹于上下电极 嘲 之间，如图2 1 所示，下电极直接接于c m o s 驱动电路，读写电流由存储元下电 极流入从上电极流出，其间，电流加热相变存储材料使其发生结构相变存储信息。 其中下电极与g s t 的接触面积尽量小，但其最小尺寸由光刻最小尺寸限制。电路 中一般是由一个晶体管和一个相变电阻构成，即存储单元是i t i r 结构。 图2 1 三明治结构相变存储器示意图 要提高存储器的集成密度，几个技术难题亟待解决：1 存储单元不能无限 减小，因为它不仅仅包含一个选通管和一个相变电阻，还包含浅沟槽隔离结构； 2 当单元面积减小时，制作工艺将会复杂得多。为了解决这些问题，我们制作了 一个薄膜相变晶体管( g s t t f t ) ，即将薄膜晶体管和相变电阻结合起来，如图 2 2 所示，把g s t 材料作为薄膜晶体管的沟道材料，这样选通管和相变电阻集中在 一个管子里，存储单元尺寸可以大大降低，密度也能得到提高。因为在上一章介 绍过，g s t 其实也是一种半导体，我们希望g s t t f t 能够在一个晶体管内同时执行 存储功能和沟道电流控制功能。 第二章g c 2 s b 2 t e 5 - t f t 器件结构和电能性能 图2 2 g s t - t f t 剖面图 比较以上两种结构，很明显g s t t f t 占据的面积要小于常规的1 t i r 结构。此 外，由于后者采用垂直接触结构，电流密度取决于接触面积，而接触面积的两条 边都受光刻水平限制“”，但当尺寸t j , 至l j 4 5 n m 左右，就接近到了光刻极限，并且 成本急剧提高。然而，采用t f t 结构，接触面积只有一条边受光刻限制，而另一 条边受g s t 本身厚度限制，这样就可以大大降低接触面积。 2 2 器件参数与工艺流程 对于t f t 结构，栅压对沟道电流起了重要的作用。为了研究g s t - t f t 的特性， 我们制作了一个背栅g s t t f t 。整个器件制作在p 重掺杂硅片上，同时也作为栅。 首先在衬底上热生长t 2 0 0 n ms i 0 2 ，其上沉积2 0 0 n m w ，l i f t - o f f 多余的w ，留下 作为源漏电极的w 。然后再溅射8 0 r i m 厚的g s t ，其上p e c v d 沉积2 0 0 n t os i 0 2 用于保 护g s t 及热保温。之后刻蚀g s t 和s i 0 2 留出源漏电极通孔。最后铺上a l 做电极插 塞。沟道长3 0 u m ，宽1 0 0 u m 。 具体实验流程如下： 1 4 第二章g e 2 s b 2 1 t 5 - t f t 器件结构和电能性能 1 5 第二章g c 2 s b 2 t e 5 - t f t 器件结构和电能性能 2 3t f t 器件测试结果与分析 g s t 材料随温度变化电阻率曲线如图2 3 所示，高阻和低阻之间相差5 到6 个数量级。 莒 ：) o 矗 童 乏 童 嚣 岳 图2 3 薄膜电阻率与退火温度的关系 我们采用k e i t h l e y 4 2 0 0 半导体测试仪测量器件特性，测量过程如图2 4 所示。 1 6 第二章g e 2 s b 2 t e s - i f t 器件结构和电能性能 图2 4k e i t h l e y 4 2 0 0 测量过程 我们在材料发生相变的前后，分别测量了当时g s t - t f t 的电性能。图2 5 给出了g s t 在晶态和非晶态时，电流电压特性的差异。当源漏电压是4 伏时，源 漏电流在g s t 为晶态是1 6i i l a ，非晶态是3 5u a ，两者相差5 个数量级。 6 o x l o - 2 5 瞅1 酽 4 o x lo - z 3 o x l 0 2 童2 0 x 1 0 2 篓1 0 x 1 0 2 2 0 ) ( 1 旷 1 呶孺 c r y s t a l l i n e - - o - - a m o r p h o u s 01 02 03 04 05 0 v d s ( v ) 图2 5 晶态和非晶态的i - v 曲线 1 7 第二章g e 2 s b 2 t c 5 艄器件结构和电能性能 图2 6 ( a ) 是非晶态g s t - t f t 的输出特性曲线，源漏电压从0 增n s o v ，栅电 压分别为一4 0 v ，一2 0 v ，0 ，2 0 v ，4 0 v ，源漏电流约为几十微安，此时g s t 沟道电阻 经测量约为2 0 0 兆欧姆。室温下，输出特性曲线初始阶段为线性增长，随后为超 指数增长。图2 6 ( b ) 是非晶态g s t - t f t 的转移特性曲线。栅电压从- 4 0 v 增长到 4 0 v ，源漏电压分别为5 0 ，4 0 ，3 0 ，2 0 ，i o v 。非晶态转移曲线是一组单调递减的 曲线。随着栅电压的增加，源漏电流逐渐降低。由图2 6 ( a ) ( b ) 可以看出，栅 对非晶态g s t t f t 沟道电流有控制作用，源漏电压越大，作用越明显。 6 o x l0 5 5 o x l0 。5 4 o x l0 。5 孑3 0 x 1 0 罢2 0 1 0 - 5 1 o x l 0 5 0 o 7 o x l0 5 6 o x l0 。5 5 o x l 0 4 4 o x l0 。5 吾3 0 x 1 0 里2 0 x 1 0 。5 1 o x l 0 5 0 o 01 0 2 03 04 05 0 v d s ( v ) 0 v - 4 0- 2 002 04 0 v g s ( v ) ( b ) 图2 6 非晶态g s t t f t ( a ) 输出特性曲线；( b ) 转移曲线 设置栅压为零，当源漏两端的电压较小时，沟道电流随着电压单调递增。 第二章g e 2 s b 2 t c 5 - r f t 器件结构和电能性能 当源漏电压到达阈值时，本实验是1 3 8 v ，沟道电流急剧上升，如图2 7 所示。 4 o x l a r 4 3 o x l 0 4 0 0 - 2 0 02 04 0 6 0 8 01 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 v d s ( v ) 图2 7 阈值电压为1 4 0 v 时i 。突然上升 在源漏电压到达阈值处，沟道由非晶态转变成晶态，电阻的减小导致电流的 增加。晶态时g s t 沟道电阻降为3 2 4 千欧。 图5 ( a ) 是晶态g s t t f t 的输出特性曲线，源漏电压从o 增到8 v ，栅电压分别 为一5 v ，一3 v ，一2 v ，o ，5 v ，输出特性曲线呈指数增长，没有饱和现象。图5 ( b ) 是晶态g s t t f t 的转移特性曲线。源漏电压分别为6 ，5 ，4 ，3 ，2 v ，t f t 在栅电 压一3 v 开启，3 v 关闭。在一3 v 和3 v 之间，晶态转移曲线是一组单调递减的曲线。当 v d , = 6 v 时，开关电流之比为1 3 6 8 ，当尺寸缩小，栅氧厚度减薄时，此数值将会增 大。随着栅电压的增加，源漏电流逐渐降低。由图5 ( a ) ( b ) 可以看出，栅对晶 态g s t t f t 沟道电流也有控制作用，并且具有明显的开关特性。 由实验结果可以得知，在晶态和非晶态两种状态下，源漏电流随栅电压负比 例增长，此规律与通常p - 沟道f e t 吻合。 02468 v d s ( v ) 1 9 铲 驴 1 1 瞅 瞅 2 1 一一! 侣似他们舛吆 0 0 o 0 o 0 o 0 o 一一p i 第二章g e 2 s b 2 t e s - t f t 器件结构和电能性能 o 0 7 0 0 6 0 0 5 ，、0 0 4 百0 0 3 刁 一o 0 2 0 0 1 0 0 0 10505 10 v g s ( v ) ( b ) 图2 8 晶态g s t t f t ( a ) 输出特性曲线；( b ) 转移曲线 注意到晶态和非晶态g s t t f t 的工作原理类似于p 一沟道三极管，所以当栅 上加负电压时，它们工作在积累区。此时，空穴积累，沟道电流增加。同理，当 栅上加负电压，沟道电流降低。实验结果证明栅电压对沟道电流有控制作用，特 别是晶态时。这种控制作用让本结构可以应用在非挥发存储器阵列中，如图2 9 。 当选中某个单元时，栅上加负电压开启晶体管，根据加在源漏两端不同大小的电 流脉冲来对状态进行读写操作。当某单元没被选中时，栅上加正电压将其关闭。 2 0 第二章g e 2 s b 2 t e s - t f t 器件结构和电能性能 w l 纾乙 r 厂 一唪 h 熏h 氐 厂 毽 一 h 率h 章 、 l 厂 一覃h 辜 h 量 ii占 w l ，lw l hw l ”ib l n ，tb l 啊b l + 1 s e t 0 v 埘一v 删 v 埘o i m 0 s e t lv 削一 乩 0 i ”t l0 r e a dv 棚 一v _v 棚 0 i 。d 0 ( b ) 图2 9 ( a ) g s t - t f t 存储器阵列；( b ) 工作示意图 2 4 本章小结 为了提高相变存储器的集成密度，我们制造了一个相变薄膜晶体管 ( g s t - t f t ) ，将传统器件结构中分立的晶体管和相变电阻合并起来，g s t 作为薄 膜晶体管的沟道材料。经过对大量样品的测试，通过在源漏上加电压可以让沟道 g s t 发生相变，并且栅对晶态和非晶态两种状态下t f t 的沟道电流都有控制作用， 电流大概相差5 个数量级。实验证明，这种薄膜晶体管能够同时执行存储功能和 沟道电流控制功能。 在非晶态下，源漏电流随栅电压负比例增长，在晶态下，栅电压起了开关作 用，在栅电压为一3 v 开启，3 v 关闭。由于源漏电压改变沟道的状态，栅压控制源 漏电流的大小，这种特性能让g s t t f t 有希望应用于非挥发存储器阵列中“”。 2 1 第三章新型的沟槽结构相变存储嚣 第三章新型的沟槽结构相变存储器 3 1 引言 相变存储器通常使用的结构为1 t 1 r 结构，其物理结构和电路结构分别如图 1 a 和b 所示。目前限制相变存储器真正得到应用的主要问题是，从晶态转换成 非晶态所需要的写操作电流太大，导致外围电路过大，因此在功耗和集成密度等 方面受到了限制。尽可能减小相变作用面积( a c t i v ea r e a ) 是减小写操作电流 的主要思路之一。图l 所示的结构中，相变作用面积是用作下电极的金属塞与相 变材料的接触面积，面积大小是由制备出栓塞图形的光刻技术决定的。 ( a ) 剖面图 ( b ) 活动区域 b l ( c ) 单元电路图 图3 1 通常使用的1 t 1 r 结构 我们提出了一种新的相变存储器结构，如图3 4 所示。本结构是将相变材 料铺于沟槽内，利用相变材料自身的厚度来控制接触面积，使一