纳米尺度相变存储器热量调控工程中包裹层机理的器件级研究

相变存储器作为有望取代传统闪存的下一代新型存储器之一成为目前存储器领域研究的热点。过去的10年间里相变存储器研究取得了极大的进展，但仍面临两个主要问题，一是重置电流过大，二是失效问题。上述两个问题都与相变存储器内的热量调控直接相关。已报道的热量调控方法多限于相变材料的掺杂调控以及体积调控、加热电极及其界面层调控，而关于器件中的另一重要热量相关介质-绝缘介质对热量调控作用的研究则主要集中在材料级，器件级的研究罕有报道。针对以上情况，本研究申请拟针对绝缘介质在纳米尺度相变存储器热量调控工程中的作用展开器件级研究。首先通过相关模拟研究绝缘层在热量调控过程中的作用；而后制备纳米尺度水平相变存储器器件，通过工艺创新对热量扩散途径进行隔离并对包裹层的作用进行研究，力争对绝缘层作用的物理机制有清晰了解并对器件特性的改善起到指导作用。

本项目在纳米尺度上针对绝缘介质对相变存储器性能的影响开展了研究。在相变存储器中，绝缘介质实现了不同器件之间的电学绝缘，对材料的相变机理、相变功耗等有重要影响。在项目的资助下，我们取得了以下主要成果。.一、理论方面. 首次提出使用叠层介质包裹结构提高器件性能的方案并进行了理论模拟验证。所谓叠层结构是指在传统的SiO2介质层中间加入一层低热导率介质材料用来调控距离热的分布及扩散。理论模拟结果表明，叠层结构具有传统结构所不具备的优点：相变区域更为集中，擦写电流更小，功耗更小，可靠性更好等等。.二、实验方面.对于相变存储器来说，需要使用两次电子束曝光才能完成器件有源区的制备，即金属电极和相变材料两次图形化工艺。传统制备方法需要使用一次套刻过程，这会引入套刻误差，尤其是当器件尺寸达到纳米尺度时，这种套刻误差会影响器件的一致性、均匀性和可靠性。为此，我们开发了自对准工艺制备纳米尺度相变材料的工艺流程，主要包括：.相变材料纳米线与金属电极间隙的自对准制备。首先使用电子束曝光负胶工艺与干法刻蚀工艺相结合制备相变材料纳米线，而后在与相变材料纳米线垂直方向上使用电子束曝光正胶工艺制备金属电极形成十字交叉结构，然后利用剩余的电子束曝光负胶进行剥离工艺，位于交叉点上方的金属随之脱落，从而自对准地形成金属电极/相变材料纳米线/金属电极结构。由于自对准工艺的实现，消除了套刻误差，保证了相变材料与金属电极之前的良好接触。最终器件电学结果表明，器件的阈值电流仅有2uA。.上述工艺所得到的为相变材料纳米线，在实际器件中，需要使用相变材料量子点，为此我们拓展了工艺流程并最终实现了相变材料量子点与金属电极间隙的自对准制备。首先利用电子束曝光负胶工艺与干法刻蚀工艺实现相变材料纳米线，而后继续使用电子束曝光负胶工艺与干法刻蚀工艺实现与相变材料纳米线垂直相交的金属电极，以金属电极为掩膜进行相变材料的自对准干法刻蚀，将没有金属电极掩蔽的相变材料去除，然后进行剥离工艺。剥离完成后最终得到自对准的金属电极/相变材料量子点/金属电极结构。最终器件阈值电流仅有160nA。.通过上述理论及实验结果，对绝缘材料在相变存储器中的作用有了初步了解，开发成功了基于自对准工艺制备纳米尺度相变材料工艺流程消除了套刻误差，保证了相变材料与电极间的良好接触，器件阈值电流小。