發(fā)布時(shí)間：2018-03-07 17:33

  本文選題：PCRAM　切入點(diǎn)：PCM　出處：《華東師范大學(xué)》2013年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：近十幾年來(lái),隨著集成電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體器件單元尺寸隨之減小。傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式如SRAM、DRAM和Flash已經(jīng)逼近物理極限,很難再往高密度方向發(fā)展。例如,大尺寸的SRAM很難構(gòu)成高密度的緩存芯片；NOR Flash很難在40nm節(jié)點(diǎn)以下繼續(xù)縮��；DRAM和NAND Flash在20nm節(jié)點(diǎn)以下也會(huì)面臨著相同的問(wèn)題。 然而,更高密度的存儲(chǔ)器是目前市場(chǎng)的需求所向,所以新興半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)例如FRAM、MRAM、RRAM及PCRAM開(kāi)始逐漸孕育成長(zhǎng)。尤其是PCRAM,它被認(rèn)為是現(xiàn)有主流存儲(chǔ)技術(shù)的首選替代者。本文從提升PCRAM性能的角度出發(fā),提出了一系列高性能新型相變存儲(chǔ)材料,并對(duì)其相變行為開(kāi)展了系統(tǒng)研究,取得了如下創(chuàng)新性成果： 1.研究了N摻雜對(duì)GeTe和Ge3Te2材料相變行為的影響,獲得了高數(shù)據(jù)保持力、高可靠性和低功耗的相變存儲(chǔ)材料。 優(yōu)化出N含量為9.81%的N摻雜GeTe材料,其結(jié)晶溫度高達(dá)372℃,十年數(shù)據(jù)保持溫度為241℃,器件功耗比Ge2Sb2Te5低,循環(huán)次數(shù)接近106。同時(shí),考慮到N與Ge成鍵以后有Te析出的可能,將摻雜對(duì)象改為Ge3Te2。系統(tǒng)表征了N摻雜對(duì)Ge3Te2材料熱學(xué)特性、光學(xué)特性、結(jié)晶過(guò)程、器件性能的影響,發(fā)現(xiàn)N、Ge成鍵形成的GeNx會(huì)以穩(wěn)定非晶態(tài)的形式圍繞在GeTe的晶粒周?chē)?減小了材料的相變區(qū)域,從而降低器件功耗。 2.開(kāi)發(fā)了AI-Sb-Te新型相變材料體系,發(fā)現(xiàn)其高速、高數(shù)據(jù)保持力和低熔點(diǎn)的特性,并證明該材料體系具有穩(wěn)定的電學(xué)存儲(chǔ)功能。 以快速相變材料SbTe為基,引入Al元素,不僅繼承了SbTe的快速相變特性,Al跟Sb、Te形成的化學(xué)鍵還能增加薄膜的熱穩(wěn)定性,對(duì)提高數(shù)據(jù)保持力有很大幫助。發(fā)現(xiàn)了Al0.8Sb3Te,Al1.3Sb3Te等優(yōu)秀的材料組分,十年數(shù)據(jù)保持溫度可達(dá)131℃�；贏l-Sb-Te材料的PCRAM器件單元在7ns的電壓脈沖誘導(dǎo)下可以完成SET操作(同樣結(jié)構(gòu)的Ge2Sb2Te5器件SET時(shí)間30ns),SET和RESET電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5材料,同時(shí)具有良好的疲勞特性(循環(huán)次數(shù)約為2.5×104)。 3.提出了用于PCRAM的Wx(Sb2Te)1-x相變材料并且證明了其應(yīng)用價(jià)值,很好 地解決了傳統(tǒng)相變材料結(jié)晶速度和數(shù)據(jù)保持力的矛盾問(wèn)題。Ws(Sb2Te)1-x材料的結(jié)晶溫度、晶態(tài)電阻和十年數(shù)據(jù)保持力都隨著W含量的增加而迅速提升。當(dāng)W含量為12%時(shí),該材料十年數(shù)據(jù)保持溫度可以達(dá)到173℃。此材料相變時(shí)由非晶態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的六方結(jié)構(gòu),沒(méi)有相分離現(xiàn)象,而且W元素作為替位雜質(zhì)均勻分布于Sb2Te的晶格當(dāng)中,這就保證了該材料在實(shí)際器件中能夠快速穩(wěn)定地工作�；赪o.o7(Sb2Te)o.93薄膜的器件在6ns的電壓脈沖下能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的SET操作,疲勞次數(shù)為1.8x105。W-Sb-Te被證明為一種能夠權(quán)衡相變速度和數(shù)據(jù)保持力的優(yōu)秀相變材料。 4.提出了用于PCRAM的W-Ge-Te相變材料,解決了GeTe薄膜成分偏析的問(wèn)題,同時(shí)提高了薄膜結(jié)晶速度和非晶態(tài)熱穩(wěn)定性,是一種綜合性能非常優(yōu)異的相變材料。 W元素與Ge、Te成鍵以后,由于W原子較大的原子質(zhì)量,從而限制了Ge、Te原子的大范圍移動(dòng),降低了GeTe薄膜結(jié)晶過(guò)程中的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。。其中W含量10%的W-Ge-Te薄膜十年數(shù)據(jù)保持溫度高達(dá)225℃,在激光脈沖誘導(dǎo)下薄膜結(jié)晶時(shí)間僅3ns。基于該薄膜的PCRAM器件能在10ns的電胝脈沖下進(jìn)行可逆相變,疲勞次數(shù)接近106,為PCRAM的應(yīng)用提供了一種高性能的存儲(chǔ)媒介。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TB34;TP333

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1580270