钛锑碲相变材料的相变机理与微缩特性研究

Phase change memories are considered as one of the most promising solutions for future non-volatile memories. TiSbTe, with high speed and low power consumption, is a promising phase change material based on Chinese intellectual property. However, the phase change mechanism and scaling down propeties of this material are still not clear, which limits its development and application. Under the above backgrounds, the works in this project foucus on: (1) The structural changes in TiSbTe phase change films are mainly investigated by transmission electron microscopy (TEM)、synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectroscopy (XAFS) integrating with other test methods (Hall test, X-ray photoelectron spectroscopy technique and Raman technique). The local bonding environment of amorphous and crystalline phase of the material is measured. By fitting analysis, get specific bonding configuration and discuss the structural transition mechanism of the material. Based on the reliable structure of the material, first principles calculations are used to optimize the structure for a better understanding of the phase change mechanism of the material. (2) The effects of device size and grain size on the phase change properties are investigated by using electron beam lithography, focused ion beam etching and electrical measurement. This project aim to provide experimental evidence and theoretical support for the development of TiSbTe phase change material.

相变存储器（PCM）是最具竞争力的下一代非易失性半导体存储器，具有广阔的市场前景。TiSbTe是我国自主研发的新型相变材料，具有相变速度快、功耗低、循环寿命长的特点，然而该材料的相转变机理和微缩特性尚不明确，制约了其在PCM中的应用。本项目研究内容主要分为两个部分：（一）采用透射电子显微镜、X射线吸收精细结构技术和载流子输运特性测试等实验手段对TiSbTe材料的相转变过程、相变前后的原子近邻结构以及载流子的变化情况进行研究。在阐明材料原子结构的基础上，通过理论计算模拟材料的相转变过程，从原子尺度揭示该材料的相转变机理；（二）采用电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等纳米加工手段结合电学测试与显微结构分析研究TiSbTe材料的微缩特性，掌握材料相变性能与器件尺寸、晶粒尺寸以及界面的关系，并阐明其内在物理机制。上述科学问题的阐明将会在理论和工程方面推动TiSbTe材料的发展。

1）.针对存储型内存应用开发了高速、低功耗Ti-Sb-Te相变材料，研究了Ti含量对薄膜电阻率、微结构、结晶温度、数据保持力、操作速度、器件功耗等性能的影响。从中筛选出最优组份Ti0.43Sb2Te3，具有比传统Ge2Sb2Te5低~80 oC 的熔点，快10 倍的操作速度，低~80 %的操作功耗，小一个数量级的电阻漂移系数,，具有非常大的实际应用价值。.2）.研究了Ti-Sb-Te材料的相变机理，发现Ti杂质对非晶相重结晶行为由生长主导型向成核主导型转变的贡献，发现准二维TiTe2纳米带以及Ti中心八面体原子基团在可逆相变中可保持其有序构型，是促成该材料体系高速、低功耗可逆相变的主要原因。非晶态Ti-Sb-Te中Ti原子仍然是处于八面体结构，只是结构发生了扭曲。在结晶过程中，Ti原子只要稍微调整一下结构就能得到更规则的八面体结构，完成成核过程，因而具有非常快的相变速度。该相变机理与传统Ge2Sb2Te5材料的相变机理不同，丰富了人们对相变材料相变行为的认识，具有非常重要的学术价值。.3）.研究了厚度对Ti-Sb-Te相变材料和器件性能的影响。在SiO2衬底上，膜厚>20nm时，Ti-Sb-Te薄膜的结晶温度几乎不随膜厚变化，膜厚在0-20nm之间时，薄膜的结晶温度随着膜厚的增加呈现先增加后减小的趋势，当膜厚为10nm时，薄膜的结晶温度最高；Ti-Sb-Te材料的极限相变厚度为3nm。.4）.研究了Ti-Sb-Te材料器件的尺寸效应。采用FIB工艺成功制备了不同尺寸的纳米限型相变存储单元器件。测试结果显示RESET 操作电流随相变区域面积减小而降低，当直径为30 nm时，RESET操作电流为0.3mA。.5）.研究了相变材料Ti-Sb-Te的刻蚀工艺和原子层沉积工艺。研究了不同刻蚀气体的刻蚀效果并优化出最佳工艺。TST刻蚀存在一定成都的刻蚀损伤，有难挥发氯化物或氟残留在表面，Sb元素有最深的刻蚀损伤。开发了Ti-Sb-Te材料的等离子体增强原子层沉积工艺，为限制型结构的高密度器件研发提供了关键工艺。.6）.对自主Ti-Sb-Te相变材料进行了工程化组分和工艺优化，采用40 nm工艺进行芯片验证，证实其高速、低功耗优良存储性能，进一步提升工艺水平和良率有望实现在嵌入式系统中的应用。