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本文论述了Si掺杂Sb<,2>Te<,3>相变存储介质及其器件的基础研究。
便携式电子产品的蓬勃发展要求未来的存储器必须具有速度快、存储密度高、不挥发和功耗低等特点。作为主流的不挥发存储技术,Flash在商业上取得了巨大的成功,它被广泛的应用在分立式和嵌入式芯片中。然而,其较长的擦写时间和有限的擦写次数,不满足未来技术发展的要求,而且由于自身物理机理上的限制,Flash突破45nm制程存在很大困难。基于硫系化合物的相变存储器(Phase-change Random Access Memory, 简称PCM)因为具有循环寿命长(大于1012次)、功耗低、读/写速度快、抗辐射、不挥发以及和现有的CMOS工艺兼容等优点,被认为最有前途的新一代存储器技术。
尽管相变存储技术在近几年取得了飞速发展,但是器件RESET电流过大一直是阻碍其迈向实际应用的主要问题之一。当前解决RESET电流过大的研究主要集中在两个方面:一个是缩小存储单元的尺寸,减小相变区域;另一个方法是开发新型相变存储材料,优化材料性能。
本文从开发新型相变存储材料方面着手,系统研究了Si掺杂Sb2Te3薄膜的物性及其器件的转变特性。
采用磁控三靶(Si、Sb及Te)共溅射法制备了Si掺杂Sb2Te3薄膜,作为对比,制备了Ge2Sb2Te5(GST)和Sb2Te3薄膜。Si掺杂Sb2Te3薄膜退火后主要为Sb2Te3晶相,其非晶态电阻率与晶态电阻率之比达到106。随着Si的浓度的提高,薄膜的晶化温度也随之提高;采用原位(in-situ)电阻法研究薄膜非晶态的热稳定性显示,Si掺杂Sb2Te3薄膜的非晶态较GST稳定,Si浓度越高,Si掺杂Sb2Te3薄膜结晶的孕育时间越长。同GST薄膜相比, Si掺杂Sb2Te3薄膜具有较低的熔点和更高的晶态电阻率, 这有利于降低器件的RESET电流。采用微电子工艺制备了存储器件原型来研究器件性能,结果表明,基于Si掺杂Sb2Te3薄膜的存储器器件原型具有记忆开关特性,并且Sb2Te3–Si(16at.%)器件可以在脉高3V、脉宽500ns的电脉冲下实现SET操作,在脉高4V、脉宽20ns的电脉冲下实现RESET操作,并能实现反复写/擦,而采用GST薄膜的相同结构的器件不能实现RESET操作。