论文部分内容阅读
作为下一代半导体存储技术，相变存储器（PCRAM）与闪存（FLASH）相比具有很大的优越性，特别是在器件单元尺寸微缩方面优势明显。随着摩尔定律的不断推进，半导体器件的特征尺寸将逐渐进入10nm以下尺度，因此研究相变存储器的尺寸极限对于该存储技术的可持续发展具有重要意义。目前，相变材料在纳米尺度的物理特性还不完全清楚，尺寸效应产生的物理机制有待进一步研究。 本文研究了纳米尺度相变材料的制备方法、物理特性的变化，重点解析了非晶态和晶态纳米尺度相变材料薄膜的微观短程结构变化，分析了其与宏观性质表现出的尺寸效应之间的联系，并探讨了纳米尺度相变材料可能存在的失效原因及改进方案。 本文主要工作为： 首先采用磁控溅射法制备了具有原子级平整表面的非晶态相变纳米薄膜，利用脉冲激光成功实现了6nm Ge2Sb2Te5非晶薄膜的光致相变。对相变纳米薄膜在热学、电学和光学方面的宏观基本特性进行了研究，发现晶化温度、晶态电阻率及光学常数等均表现出显著的尺寸效应。 利用X射线光电子能谱（XPS）、表面增强拉曼散射谱（SERS）和X射线吸收精细结构谱（EXAFS）等多种探测手段对相变纳米薄膜的非晶结构进行了研究，发现了GeTe纳米薄膜中Ge原子的短程结构的尺寸效应，当薄膜厚度降低至10nm以下时，Ge原子的配位环境从缺陷八面体中心向四面体中心变化。在实验的基础上，通过第一性原理分子动力学模拟淬火过程建立了非晶态 G eTe纳米薄膜的结构模型，通过分析键角、配位数分布及局域序函数深入探讨了 Ge原子短程结构变化的原因，该变化将增大相变纳米薄膜的非晶结构与晶态结构的短程序差异，提高材料的晶化温度，增强相变存储器稳定性。 对相变纳米薄膜的晶态结构进行了显微学解析，通过高分辨率透射电子显微镜观测到 G eTe纳米薄膜的晶粒具有高度择优取向，此外，比例大幅增加的界面原子分布明显无序。拉曼散射实验发现了该界面层原子对晶态相变纳米薄膜声子行为的影响，利用第一性原理模拟退火过程得到G eTe纳米薄膜的晶态模型，结合键长-键能关系模型对纳米薄膜声子谱中新的低频声子模式进行了分析。晶态相变纳米薄膜的声子行为改变使得晶格对载流子的散射几率增大，晶态电阻升高，有利于减小相变存储器的RESET电流。 在制备纳米超薄膜的基础上，利用电子束光刻工艺制备三维方向均在纳米尺度的相变材料纳米点阵，颗粒尺寸最小可达50nm。利用静电力显微镜对不同尺寸纳米点阵的晶化过程进行表征，发现高温退火后纳米点阵的功函数发生变化，证明材料结构发生了改变，实现了相变。进一步，利用电子束光刻设计制备相变材料纳米点阵电测试单元，对不同尺寸 G eTe纳米点阵单元的直流 I-V和脉冲测试表明其能够在电激励下发生可逆相变，且阈值电压随着点阵单元尺寸减小而降低。