相变存储器器件结构及工艺研究

相变存储器器件结构及工艺研究

相变存储器(PCM)由于具有非易失性、高存储密度、低功耗,高可靠性等诸多优点,被国际半导体工业协会认为是最有可能取代闪存和动态随机存储器(DRAM)成为下一代半导体存储器主流产品之一。相变存储器从上世纪六十年代提出,到现在己超过半个世纪的时间,随着

半导体工艺技术的发展相变存储器终于由概念变成了现实,2011年三星公司将相变存储芯片应用于该公司的一款手机中,完成了相变存储器从实验室到生产线的转变。但相变存储器还未在市场上大批量销售,且相变存储器的性能依然有巨大的提升空间,如擦写速度、热串扰等。新型相变材料的研发和器件结构及工艺的改进是其性能提升三种方式,本文研究了相变存储器单元制备工艺和芯片的后集成工艺;提出

了改善其热串扰的新型器件结构以及提升相变存储器电热转化效率

的非对称结构;设计了一种不受限于光刻精度的相变存储器工艺流程,上述研究为我国实用化相变存储器芯片的研究和开发奠定了基础。本文首先从相变存储器的基本结构即T型结构出发对相变存储器进行

了研究,设计了相变存储单元的掩膜版,制备了八个独立相变存储单元,确定了相变存储单元工艺流程及工艺参数,并对其性能进行测试,单元写速度最快可达5 ns。然后将相变存储器的单元工艺应用于相变存储器芯片的制备工艺之中,分别完成了 256 bit和1 Mb相变存储器芯片的后集成工艺,经过测试,芯片外围电路和存储单元均导通,且可反复擦写。建立了相变存储器的有限元模型,利用ANSYS软件完成了相变存储器的有限元模拟,提出了一种改进相变存储器热串扰的

单元结构,即双层电极和工字型结构,显著地降低了临近单元的热串扰。提出了一种可提升电热转化效率的新型非对称结构。设计了基于角度蒸发的相变存储器制备工艺流程,采用此工艺可制备特征尺寸不受限于光刻精度的相变存储器,在微米尺度的工艺环境中制备了特征尺寸为100 nmX 80 nm的线型相变存储单元,新工艺方法制备的相变存储器特征尺寸更小,擦写速度更快,且极大降低了相变存储器的制备成本,且新工艺流程制备的相变存储器单元与传统线型相变存储器相比在热串扰上有着显著优势。