1、基于硫系化合物的相變存儲器(Phase-change Random Access Memory,簡稱PRAM)具有不揮發(fā)性、循環(huán)壽命長(大于10<'13>次)、功耗低、讀/寫速度快、抗輻射以及和現(xiàn)有的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為最有可能成為未來可通用的新一代存儲器技術(shù),從而成為當(dāng)前存儲器領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一。 然而,PRAM在真正實(shí)現(xiàn)商用化之前還需要解決諸如器件的RESET電流過人等問題。其中降低RESET電流是當(dāng)前最需要迫切

2、解決的問題,因?yàn)镽ESET電流過大嚴(yán)重制約了PRAM技術(shù)在高密度存儲方面的發(fā)展。降低RESET電流可以從兩個(gè)方面來考慮:一方面,對常用的Ge-Sb-Te材料摻雜改性或者開發(fā)新型相變存儲材料；另一方面,減小存儲單元尺寸和相變薄膜厚度,從而減小相變區(qū)域。本文從優(yōu)化相變材料方面著手,采用磁控濺射方法制備了電極材料和相變存儲薄膜,利用微電子工藝制備了PRAM器件原型,并系統(tǒng)研究了Ge-Sb-Te、Si-sb-Te和摻雜si的Ge<,2>Sb<,

3、2>Te<,5>相變薄膜的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶特性、電學(xué)特性以及器件的轉(zhuǎn)變特性。 采用三靶(Ge、Sb和Te靶)共濺射的方法制備了二種理想配比的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結(jié)果表明,隨著退火溫度的升高,Ge-Sb-Te薄膜發(fā)生從非晶相到面心立方(FCC)晶相再到六方(HEX)晶相的轉(zhuǎn)變過程。隨著退火溫度的升高,薄膜的電阻率出

4、現(xiàn)了兩次急劇的下降,分別對應(yīng)晶化過程和從FCC晶相到HEX晶相的轉(zhuǎn)變過程,非晶態(tài)/晶態(tài)的電阻變化率可達(dá)10<'5>。大尺寸Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>器件在現(xiàn)有的脈沖條件下無法實(shí)現(xiàn)從低阻態(tài)向高阻態(tài)的RESET轉(zhuǎn)變。分析表明,提高薄膜的晶態(tài)電阻率可以有效降低器件的RESET電流。 采用Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>合金靶和Si靶共濺射的方法制備了不同Si摻雜濃度(4.1、7.2和11.8at.﹪)的Ge-Sb-Te-

5、Si薄膜.si摻雜可以在不降低電阻變化率的前提下顯著提高Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>薄膜的品態(tài)電阻率.si摻雜提高了薄膜的晶化溫度,同時(shí)抑制FCC晶相向HEX晶相轉(zhuǎn)變。退火后,Ge<,2>Sb<,2>Te<,5>薄膜的厚度減小了6.8﹪,Ge-Sb-Te-Si薄膜的厚度變化率與之相比略有降低。器件測試結(jié)果表明,si摻雜可以顯著改善器件的RESET轉(zhuǎn)變特性,實(shí)現(xiàn)了在高阻態(tài)(RESET態(tài))和低阻態(tài)(SET態(tài))之間反復(fù)轉(zhuǎn)變.這種反復(fù)轉(zhuǎn)

6、變模式是基于晶化通道方式的轉(zhuǎn)變。在改善RESET轉(zhuǎn)變特性的同時(shí),Si摻雜降低了器件的SET轉(zhuǎn)變速度。 采用三靶(Si、Sb和Te靶)共濺射的方法制備了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薄膜退火后主要為Sb<,2>Te<,3>晶相。非晶態(tài)/

7、晶態(tài)的電阻變化率高于10<'5>,最高可達(dá)10<'7>.Si-sb-Te薄膜的熔點(diǎn)均低于600℃,其厚度變化率小于3﹪.采用晶粒包裹模型分析了Si-Sb-Te薄膜厚度變化率小的原因.Si-Sb-Te器件可以在高阻態(tài)(RESET態(tài))和低阻態(tài)(SET態(tài))之間反復(fù)轉(zhuǎn)變,并且RESET電流隨著薄膜中si濃度的增加而逐漸減小.Si<,10.7>Sb<,39.5>Te<,49.8>和Si<,16.4>Sb<,32.5>Te<,51.1>器件的SET