【摘 要】
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随着摩尔定律的发展,基于MOS结构的存储器件逐渐逼近物理极限。同时,尺寸微缩和工艺迭代的成本壁垒迫使产业界寻找新的存储方案。在众多新型存储技术中,相变存储技术以其优越的性能和三维堆叠能力备受瞩目,被视为最有可行性的存储级内存方案。为了充分发挥相变存储器的性能优势,存储单元必须能够在产品的使用寿命内可靠地工作。基于相变存储器的功能定位,相变存储器在操作性能提升的同时,需要实现比NAND Flash更
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随着摩尔定律的发展,基于MOS结构的存储器件逐渐逼近物理极限。同时,尺寸微缩和工艺迭代的成本壁垒迫使产业界寻找新的存储方案。在众多新型存储技术中,相变存储技术以其优越的性能和三维堆叠能力备受瞩目,被视为最有可行性的存储级内存方案。为了充分发挥相变存储器的性能优势,存储单元必须能够在产品的使用寿命内可靠地工作。基于相变存储器的功能定位,相变存储器在操作性能提升的同时,需要实现比NAND Flash更强的可靠性。目前相变存储器已经进入芯片级测试和商品化阶段,并且表现出优异的性能,对于相变存储器的可靠性要求也进一步提高。因此相变存储器可靠性问题的机理的研究和可靠性优化方案的设计具有重要的应用意义。在众多可靠性优化方案中,相变材料的筛选是提升器件可靠性的关键途径之一。本论文针对相变存储器中寄生电阻、电阻漂移和读噪声导致的可靠性问题,提出采用Ge Te/Sb2Te3超晶格相变材料对相变存储器进行可靠性优化。针对主要研究内容和结论如下:1.采用脉冲激光沉积和磁控溅射制备出符合设计参数的非晶态Ge Te/Sb2Te3超晶格,并通过原位加热和衬底诱导制备出具有较高晶格匹配的晶态Ge Te/Sb2Te3超晶格,验证了衬底温度和模板诱导对于超晶格生长取向的影响,提出采用Sb2Te3作为模板,诱导生长具有理想取向的晶态Ge Te/Sb2Te3超晶格。2.在相变存储单元的寄生电阻里,接触电阻耦合在相变存储单元的电阻和热阻中,直接影响相变存储器的存储窗口、循环性能和数据保持能力。由于接触电阻无法消除,因此获得稳定且可调控的接触电阻成为提高相变存储器可靠性的重要条件。由于超晶格的短周期层状结构极大的改变了材料的键合方式和电荷分布,Ge Te/Sb2Te3超晶格的功函数和表面态与传统合金相变材料存在巨大差异,这些差异会显著影响其与金属的接触界面。本文采用CTLM方法测试了Ge Te/Sb2Te3超晶格相变材料与金属电极的接触电阻,根据接触电阻的温度依赖性研究了Ge Te/Sb2Te3超晶格相变材料与金属电极间的载流子输运机制,发现超晶格相变材料的高表面态导致其与金属的接触界面存在强钉扎效应。这种强钉扎效应有利于获得稳定的接触电阻,但通常难以进行调控。而通过相变材料可以通过结构参数设计,在一定程度上调控超晶格与金属的接触电阻和接触势垒,从而获得稳定且可调控的接触电阻。3.根据电阻漂移现象的发生机理,提出采用Ge Te/Sb2Te3超晶格相变材料抑制器件的电阻漂移,获得了远低于合金相变材料的电阻漂移系数,并分析了其实现机理。非晶态相变材料的应力弛豫和微结构弛豫导致能带中缺陷能级弛豫,表现为相变存储器中的电阻漂移。Ge Te/Sb2Te3超晶格的俘获中心能级基本位于禁带中部费米能级附近,而俘获中心的空间分布则与其结构周期有关。结合XPS测试结果和理论计算结果,认为该周期调制作用来自Ge Te/Sb2Te3超晶格的界面处Te-Te原子对。在尺寸效应和结构应力的共同作用下,界面处Te-Te原子对难以通过结构弛豫消除,反而提升了Ge Te/Sb2Te3超晶格中俘获中心的结构稳定性,从而有效抑制了电阻漂移现象。这一结果为提升相变存储器的数据保持可靠性提供了不同以往的优化策略。4.针对信噪比降低导致的误码问题,研究了基于Ge Te/Sb2Te3超晶格的相变存储器的低频噪声特性及其影响因素。发现超晶格相变存储器的噪声功率与偏压成正相关,而与温度成负相关,且晶态与非晶态的噪声量级差异很大。非晶态下超晶格相变存储器的噪声以G-R噪声为主,电流归一化噪声功率与偏压成负相关,可以通过读脉冲设计实现更高信噪比;晶态下超晶格相变存储器的噪声以1/f噪声为主,电流归一化噪声功率比非晶态低1～2个数量级,且与偏压无关,信噪比稳定。通过研究G-R噪声激发-俘获时间常数的偏压和温度依赖性,发现超晶格相变存储器中的噪声主要来源于费米能级附近缺陷中心的震荡弛豫。这一结果为进一步提高器件信噪比,优化器件的读取可靠性提供了理论指导。
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