【摘要】：本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面的研究工作：Ge_2Sb_2Te_5相變材料的制備與性能表征；摻雜N、O、B對Ge_2Sb_2Te_5薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響；C—RAM器件單元制備工藝與電學(xué)性能表征等。 首先，本文全面綜述了硫系化合物隨機存儲器C—RAM的研究進展，簡單介紹了其記錄原理、發(fā)展歷程和應(yīng)用前景，詳細論述了C—RAM的特點、相變材料和發(fā)展趨勢，重點敘述了C—RAM的結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件單元納米化的措施和器件工藝過程中的幾個關(guān)鍵問題等內(nèi)容。 通過優(yōu)化工藝，制備出了質(zhì)量優(yōu)良、能夠滿足C—RAM器件需要的Ge_2Sb_2Te_5相變薄膜，系統(tǒng)全面地研究了其結(jié)構(gòu)、原子鍵合狀態(tài)和電阻性能，熱致Ge_2Sb_2Te_5膜相變有兩個過程：非晶態(tài)到FCC晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，結(jié)晶溫度約為175℃；FCC到六方晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，結(jié)晶溫度約為365℃。Ge_2Sb_2Te_5薄膜的非晶態(tài)與晶態(tài)之間的電阻相差非常大，可達6個數(shù)量級，完全可以滿足C—RAM器件的要求。 首次深入探討了N、O和B摻雜對Ge_2Sb_2Te_5結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。摻雜N、O和B三種元素后，Ge_2Sb_2Te_5薄膜的晶格都發(fā)生了畸變，甚至產(chǎn)生分相，但當(dāng)摻雜量和退火溫度都很高時，分相不再發(fā)生，F(xiàn)CC到六方結(jié)構(gòu)的相變也被抑制，薄膜結(jié)構(gòu)仍為FCC結(jié)構(gòu)；摻雜的N和O與Ge鍵合，分別生成Ge_3N_4和GeO_2，，對晶粒有很明顯的細化作用；N和B的摻雜量較低時，薄膜的電阻—溫度特征曲線中出現(xiàn)了兩個明顯的電阻下降臺階，這利于C—RAM的多級存儲；三種元素的摻雜量較高時，晶態(tài)電阻在很大溫度范圍內(nèi)變化范圍很窄，穩(wěn)定性大大提高，有利于改善C—RAM的存儲性能。 在國內(nèi)首次利用FIB法制備出納米量級的C—RAM器件單元，器件單元中電極與相變材料的接觸面最小直徑可達60nm，采用自主設(shè)計搭建的C—RAM電學(xué)測試系統(tǒng)測出了其Ⅰ-Ⅴ特征曲線，并成功實現(xiàn)了器件單元的可逆相變過程，器件單元中Ge_2Sb_2Te_5相變材料晶化過程的最小臨界電流(SET電流)為0.28mA，這對今后研究C—RAM的存儲性能非常有益。 首次把Sb_2Te_3相變材料應(yīng)用于C—RAM，初步研究了Sb_2Te_3相變材料的結(jié)構(gòu)和電阻性能，Sb_2Te_3相變材料的C—RAM器件單元中電極與相變材料的接觸面最小直
【圖文】：

突破的基礎(chǔ)上，給出了未來幾年半導(dǎo)體器件發(fā)展的最權(quán)威的規(guī)劃，從四個層面規(guī)劃了器件發(fā)展的走勢。在存儲器方面，C一RAM被認為最有可能取代目前的FLASH而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件〔見圖2.3〕。圖2.3國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會2003年版關(guān)于存儲器的規(guī)劃C一RAM具有替代FALSH與DARM的巨大潛力，最主要的原因其高密度存儲上的優(yōu)勢。按照摩爾定律的發(fā)展規(guī)律，存儲器由微電子向納電子器件發(fā)展是必然的趨勢。EEPR枷存儲器件由于本身的原因限制了其小型化，DARM技術(shù)采用越來越復(fù)雜的單元結(jié)構(gòu)來維持由于特征尺寸不斷縮小而影響的電容量。FReMA依靠疇的變化來記錄信息，也受到體積的限制，集成度難以提高。而C一RAM靠電阻率變化的存儲方式則有可能往更小尺寸的方向發(fā)展【’3]。從表2.2可以看出，c一RAM電阻基信息存儲器有可能是同時克服其它存儲技術(shù)所不能克服的極限、同時滿足高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小和功耗低等五方面要求的器件:在數(shù)據(jù)讀取速度方面，C一ARM可以實現(xiàn)與FLAHS同等水平的高速讀取;在可擦寫次數(shù)方面與FReMA一樣，為10’“次;讀取方法與MARM一樣為非破壞性

圖.24C一RAM的應(yīng)用領(lǐng)域SC一RAM的關(guān)鍵相變材料一種典型的C一RMA器件結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。由圖知，C一尺AM由硫系化合物相變、電極材料、絕熱材料和過渡層材料等構(gòu)成分，是信息存儲的載體。。硫系化合物相變薄膜是C一RAM的核
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號】：TP333

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本文編號：2682272