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SiN_x掺杂SbTe相变存储材料研究

作　者: 万琪健
导　师: 冯洁
学　校: 上海交通大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 相变存储器 SiNx掺杂SbTe RESET电流热稳定性数据保存寿命
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近几年来随着消费电子市场的快速增长,存储器的市场越来越大,目前应用最广泛的不挥发存储器是基于浮栅技术的闪存。然而,由于其自身物理机制上的限制,闪存单元尺寸的进一步缩小遇到了很多的技术瓶颈。相变存储器（Phase Change Random Access Memory,简称PRAM）因为具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、功耗低、读/写速度快以及和现有的CMOS工艺兼容等优点,被认为是最有可能取代闪存成为未来可通用的新一代存储器技术。当前,在PRAM中广泛采用的相变材料是Ge-Sb-Te（GST）薄膜,但其存在一些需要改善的问题,如RESET电流较大,高温下的数据保存寿命有待提高等问题,难以满足未来不挥发存储器对低功耗,数据稳定性等的要求。对此,人们研究了在Sb₂Te₃中掺杂Si元素从而形成的SST材料。SST材料具有更好的非晶态热稳定性,更高的晶态电阻率以及更低的熔化温度,然而在结晶过程中会分离出Te晶相是SST材料的一个很大的问题,会对器件的稳定性造成一定的影响。为了既能保留SST材料的优势,又要减弱Te晶相的产生,本论文尝试对Sb2Te3中掺杂SiNx,主要进行了以下的研究:1.制备不同浓度SiNx掺杂SbTe薄膜。利用XRD、TEM和原位恒温退火等实验研究薄膜成分、结构特性和电学性能。XRD和TEM结果表明,结晶后主要是Sb2Te3晶相,分布在SiNx材料中形成为一种纳米复合材料,高电阻的SiNx可以作为微加热器,并且此结构能够提高晶态电阻率,从而有利于降低器件的RESET电流。原位恒温退火实验结果表明,随着SiNx浓度的增加,SiNx-SbTe材料的晶化温度升高,非晶态和晶态电阻率提高,数据保存能力大大提高。2.制备基于SiNx-SbTe材料的相变存储器件原型,研究其电学性能和转变机理。该器件具有记忆开关特性,并且能够实现SET和RESET操作。测试结果表明,基于5at.% SiNx-SbTe材料制备的器件具有记忆开关特性,可以在大小、脉冲宽度、下降沿宽度分别为2.2V-80ns-50ns的脉冲下实现SET操作,在4.2V-20ns-5ns的脉冲下实现RESET操作。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-36
  1.1 几种新型不挥发存储器  11-18
    1.1.1 闪存（Flash Memory）  11-12
    1.1.2 铁电存储器（FeRAM）  12-14
    1.1.3 磁性存储器（MRAM）  14-15
    1.1.4 阻变存储器（RRAM）  15-16
    1.1.5 相变存储器（PRAM）  16-18
  1.2 几种新型不挥发存储器的性能比较  18-20
  1.3 相变存储器的存储介质  20-23
    1.3.1 相存储介质的性能要求  20
    1.3.2 相变存储材料研究  20-23
  1.4 相变存储器的研究进展  23-24
  1.5 相变存储研究面临的主要问题  24-27
    1.5.1 RESET 电流过高  25-27
    1.5.2 高温下数据保存寿命不够理想  27
  1.6 本论文的研究意义及研究内容  27-29
  参考文献  29-36
第二章 SiN_x-SbTe 相变材料研究  36-52
  2.1 SiN_x-SbTe 相变薄膜的制备  36-39
    2.1.1 薄膜样品的制备条件  36-38
    2.1.2 薄膜成分计算  38-39
  2.2 SiN_x-SbTe 相变薄膜性能分析  39-50
    2.2.1 薄膜性能分析方法  39-42
    2.2.2 SiN_x-SbTe 薄膜结构分析  42-45
    2.2.3 非晶态热稳定性  45-48
    2.2.4 非晶态和晶态电学性能  48-50
  2.3 本章小结  50-51
  参考文献  51-52
第三章基于SiN_x –SbTe 材料的相变存储器件  52-63
  3.1 基于SiN_x–SbTe 材料的相变存储器件制备与测试方法  52-58
    3.1.1 原型器件制备工艺  52-56
    3.1.2 器件测试方法  56-58
  3.2 相变存储器件转变机理  58-60
  3.3 器件I-V 特性  60-61
  3.4 器件转变特性  61-62
  3.5 本章小结  62-63
第四章总结与展望  63-65
致谢  65-66
攻读硕士期间发表学术论文  66

SiN_x掺杂SbTe相变存储材料研究

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