Ge2Sb2Te5基相變存儲材料和器件單元結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、在眾多新型半導(dǎo)體存儲技術(shù)中，相變存儲器(PCRAM)以其優(yōu)異的綜合性能，被認(rèn)為是下一代最具潛力的非易失性存儲器之一。而作為存儲媒介的相變材料正是PCRAM的核心，它的性能優(yōu)劣直接與器件的性能緊密相關(guān)。為了提升PCRAM的性能，本論文針對目前商用的Ge2Sb2Te5相變材料存在的問題，使用摻雜手段，開發(fā)出具有較高數(shù)據(jù)保持力的快速相變存儲材料。另一個(gè)與器件性能直接相關(guān)的是器件的結(jié)構(gòu)，好的結(jié)構(gòu)不僅可以提高器件的使用穩(wěn)定性，同時(shí)能夠降低器件的功

2、耗。本文針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不足，使用模擬仿真的手段研究了限制型結(jié)構(gòu)和包覆型結(jié)構(gòu)的功耗與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，優(yōu)化出具有較低功耗的器件結(jié)構(gòu)，取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.系統(tǒng)的研究了W元素?fù)诫s的Ge2Sb2Te5相變材料。W原子的引入可以改善相變薄膜的熱穩(wěn)定性，隨著W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的數(shù)據(jù)保持力也逐漸提高。其中W0.08(GST)0.92薄膜的十年數(shù)據(jù)保持力為183℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ge2Sb2Te5的87℃。材料相變時(shí)由非晶態(tài)直接

3、轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)，比Ge2Sb2Te5薄膜具有更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。基于W0.08(GST)0.92的PCRAM器件單元可以在10 ns的操作電壓下完成可逆相變，單元的可逆相變循環(huán)次數(shù)更是達(dá)到了6×105。
　　2.利用了等效晶態(tài)電阻率校準(zhǔn)了TCAD模擬工具，使得仿真結(jié)果和測試結(jié)果有了更精確的匹配性。其次利用校準(zhǔn)后的模型，仔細(xì)的模擬了限制型結(jié)構(gòu)孔洞深度對器件操作電流的影響，分析了器件中的溫度分布，電阻數(shù)值特性。與傳統(tǒng)T型結(jié)構(gòu)相比，限

4、制型孔洞結(jié)構(gòu)可以顯著地降低器件操作功耗，器件的加熱效率越來越高。從仿真結(jié)果可以看出，隨著操作時(shí)間的延長，操作電流從5mA降低到1.3mA。
　　3.根據(jù)中芯國際提出的包覆型器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)仿真和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，對影響器件電學(xué)性能的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)優(yōu)化，得到了最優(yōu)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中底加熱電極的直徑BEC為50nm，相變材料層的直徑為200nm，相變材料層的厚度為100nm時(shí)，器件可以到達(dá)最優(yōu)的功耗水平。該項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)可以大幅度