相變存儲器(PCRAM)是一種新型的非易失性存儲器,被認為最有可能替代目前的閃存(flash)存儲器而成為下一代主流非易失性存儲器。PCRAM與其他存儲器相比有很多優(yōu)勢,擦寫速度快,疲勞性好,功耗低而且與CMOS工藝兼容。但是PCRAM仍然存在很多需要解決的問題:一、很難使相變材料在相變過程中既有較快的相變速度又有較高的穩(wěn)定性;二、PCRAM在逆相變過程(RESET)中操作功耗比較高;三、對于PCRAM的可靠性及數(shù)據(jù)保持能力還有待提升。針對PCRAM這些熱點問題,本文通過磁控濺射法制備了高性能納米相變薄膜材料,從相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和熱穩(wěn)定性等方面系統(tǒng)研究薄膜材料在PCRAM中的應用前景,并取得了以下結(jié)論:(1)在SnSe薄膜中摻雜Cu元素,開發(fā)出了Cu-Sn-Se新型相變薄膜。比起SnSe,Cu-Sn-Se薄膜擁有更低的晶化激活能(1.60eV);非晶態(tài)的Cu-Sn-Se比SnSe的能帶間隙更小;在摻入Cu之后的新型薄膜Cu-Sn-Se薄膜的晶化過程受到了抑制并且晶粒的結(jié)構(gòu)變得更加緊密;皮秒激光測試表明了Cu-Sn-Se薄膜擁有一個較快的相變速度(3.36ns);Cu-Sn-Se薄膜比起SnSe薄膜擁有更高的晶態(tài)電阻,這對于低功耗的PCRAM的應用具有非常重要的意義。(2)在SnSb薄膜中摻入O元素,開發(fā)出了SnSb-O新型相變薄膜。隨著O含量摻入的增加,SnSb-O薄膜的非晶態(tài)電阻和晶態(tài)電阻都隨之提高,晶化溫度從158°C上升到240°C,提高了相變薄膜的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持能力,而且晶化前后電阻存在2個數(shù)量級以上的變化;SnSb-O薄膜的能帶間隙也從摻氧前的1.19eV增加到了摻氧之后的1.63eV;在O摻入之后,SnSb-O薄膜的晶化也逐漸受到了抑制,在晶化過程中形成Sb的氧化物,減小了晶粒尺寸,增加了晶態(tài)電阻,降低了RESET過程的功耗;退火之后的薄膜隨著氧含量的增加,SnSb-O薄膜均方根粗糙度(RMS)也逐漸減小,提升了器件的可靠性;SnSb-O薄膜的熔點溫度在494°C,小于傳統(tǒng)相變薄膜Ge_2Sb_2Te_5的熔點溫度,大大降低了薄膜在器件應用中的功耗;此外,也發(fā)現(xiàn)過量的O摻雜會導致相變薄膜材料失去相變性能,無法被器件所應用。(3)開發(fā)出了不同厚度比的GeSb/SiO_2納米復合多層相變薄膜。隨著SiO_2絕緣層相對厚度的不斷增加,GeSb/SiO_2多層薄膜的晶化溫度逐漸提升,提高了薄膜的熱穩(wěn)定性;退火后的GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多層薄膜的表面均方根粗糙度從0.45nm增加到了0.53nm;非晶化過程GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多層薄膜(2.29ns)的相變時間小于Ge_2Sb_2Te_5(3.56ns),同時GeSb(1nm)/SiO_2(9nm)多層薄膜的閾值電壓(3.57V)也小于Ge_2Sb_2Te_5(4.18V),從而擁有更低的操作功耗;
【學位單位】：江蘇理工學院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB34;TP333
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 半導體存儲器簡介
        1.1.1 動態(tài)和靜態(tài)隨機存儲器
        1.1.2 鐵電隨機存儲器
        1.1.3 Flash存儲器
        1.1.4 相變存儲器
        1.1.5 磁存儲器
        1.1.6 阻變存儲器
    1.2 相變存儲器概述
        1.2.1 相變存儲器定義及原理
        1.2.2 相變存儲器的發(fā)展歷史
    1.3 相變存儲器研究現(xiàn)狀
        1.3.1 相變存儲器材料研究
        1.3.2 相變存儲器結(jié)構(gòu)研究
    1.4 相變存儲材料面臨的問題及解決方案
        1.4.1 SET操作速度不夠快
        1.4.2 數(shù)據(jù)保持能力不高
        1.4.3 RESET電流/電壓過大
    1.5 本文的研究意義及內(nèi)容
        1.5.1 研究意義
        1.5.2 研究內(nèi)容
第二章 Cu摻雜SnSe的Se基納米復合薄膜材料的研究
    2.1 引言
    2.2 實驗簡介
        2.2.1 薄膜樣品的制備
        2.2.2 冷熱臺測試方法
        2.2.3 能帶間隙測試
        2.2.4 相結(jié)構(gòu)測試
        2.2.5 表面形貌測試
        2.2.6 相變時間測試方法
    2.3 結(jié)果與討論
        2.3.1 電阻隨溫度變化特征和熱穩(wěn)定性分析
        2.3.2 光學帶隙
        2.3.3 相結(jié)構(gòu)
        2.3.4 表面形貌
        2.3.5 薄膜粗糙度
        2.3.6 相變速度研究
    2.4 本章小結(jié)
第三章 O摻雜SnSb的Sb基納米復合薄膜材料的研究
    3.1 引言
    3.2 實驗簡介
        3.2.1 薄膜樣品的制備
        3.2.2 薄膜樣品電學、光學及相結(jié)構(gòu)測試
        3.2.3 薄膜樣品XPS圖譜測試
        3.2.4 薄膜樣品DSC曲線測試
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 相變特性和熱穩(wěn)定性分析
        3.3.2 禁帶寬度
        3.3.3 相結(jié)構(gòu)
        3.3.4 元素間的鍵結(jié)構(gòu)
        3.3.5 熱學分析
        3.3.6 表面形貌及粗糙度分析
        3.3.7 RESET過程中的皮秒激光圖像
    3.4 本章小結(jié)
2納米復合多層相變薄膜材料的研究'>第四章 基于Sb基的GeSb/SiO₂納米復合多層相變薄膜材料的研究
    4.1 引言
    4.2 實驗簡介
        4.2.1 薄膜制備
        4.2.2 PCRAM器件單元制備
        4.2.3 薄膜基本性能表征
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 相變特性
        4.3.2 十年數(shù)據(jù)保持力
        4.3.3 光學帶隙
        4.3.4 相結(jié)構(gòu)
        4.3.5 微觀形貌
        4.3.6 相變時間
        4.3.7 薄膜厚度變化
        4.3.8 器件電性能測試
    4.4 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 論文總結(jié)
    5.2 展望
致謝
參考文獻
攻讀學位期間研究成果

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本文編號：2860551