用於相變存儲器的GeSbTe MOCVD共形澱積

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用於相變存儲器的GeSbTe MOCVD共形澱積

Jun-Fei Zheng,Weimin 發表於 2012-05-04 17:14:18

　　為了達到PCM改進高性能/高密度發展進程中的下一個裡程碑，正在採用的一個途徑是在截面尺寸10-100nm的高深寬比器件單元中，用共形澱積工藝約束PCM材料(即GST)。通過同時尋址多個單元，並以改進熱隔離和允許高密度集成消除單元-單元幹擾，高約束能減少復位電流以增加寫入帶寬。較小的約束單元也提高了器件速度。基於化學氣相澱積(CVD)的工藝能填充深寬比3:1、截面7.5×60nm的橫線結構(dash structures)，達到160μA的復位電流和50ns的置位速度。基於原子層澱積(ALD)的工藝能填充深寬比3:1、截面7.5×14nm的橫線結構(dash structures)，達到90μA的復位電流和30ns的置位速度。與平面結構比較，約束單元結構中的澱積厚度也大大減少，這就增大了澱積產額。為了得到合適的閾值電壓，平面器件結構至少要求澱積30nm厚度GST;而約束單元只需要接觸區域中單元尺寸的一半，例如對於7.5nm厚的結構為3.75nm，這樣，澱積時間也小於十分之一左右。

　　成功地將CVD或ALD澱積的GST合金用於PCM，要求在填充10-100nm高深寬比具有合適材料特性的約束結構中有非常可靠的共形澱積，這些特性包括無空洞澱積、對SiO2和上/下金屬電極的粘附性好，以及在400℃時材料性質穩定，能經受隨後的器件加工步驟。也需要這樣的合金，即能有低復位電流、至少1×106的高循環壽命、10年數據保持溫度高於85℃、短置位時間或快速置位、在置位或晶態時阻抗低及復位或非晶態時阻抗高。滿足這些要求將提供非晶相和晶相之間一個寬範圍電阻率，這是多層單元儲存(MLC)應用所希望的。

　　ATMI開發了能填充深寬比大於3:1、尺寸小於15nm結構的MOCVD工藝(金屬有機物化學氣相澱積)，見圖2。CVD工藝是優選工藝，因為其產出比ALD工藝快，且有同樣大小的批次。ATMI的MOCVD工藝非常有效，因為與典型的CVD工藝比較，它設計使用能在較低溫度下加工的金屬有機前驅物。ATMI也獲得了基礎和先進器件應用所需的材料物理性質和優良的電學性質，包括置位速度達12ns的DRAM的可行性。

　　本文介紹了從開發成熟的MOCVD澱積GST材料性質獲得的電學特性。一是用MOCVD澱積的325GST合金，與PVD GST合金比較，它減少復位電流2-3x，顯示了NOR快閃記憶體應用的可能性。二是用MOCVD澱積的415GST合金，其置位速度65ns，10年數據保持溫度118℃，比PVD GST 225合金高出近20℃，有望在SCM中有更高的速度以及在更高的溫度環境下應用。

　　高深寬比結構的GST填充

　　所做的研究中，高深寬比結構能用多種不同組分的GST適當填充。圖1顯示了進行的多種組分試驗。 獲得了GST共形澱積(在GST相圖左下的橙色區域)，包括成功地填充40nm高深寬比孔洞和用Ge摻雜富Sb的SbTe深寬比為5:1的結構。GST相圖右下的綠色區域是Te含量大於50%的富Te GST合金，包括最近得到的325和415合金組分。高性能PCM應用一般需要高Te% GST合金，因為它們結晶溫度低。因為一般的澱積薄膜是結晶體，因而不平整也不共形，這是澱積中典型前驅物需用的高澱積溫度的結果。圖1示出了用ATMI MOCVD工藝在高深寬比通孔中GST325和415填充情況。在我們最近的300mm MOCVD工藝示範中，也成功地達到能以平滑和共形薄膜填充15nm小溝槽結構，Te組分～50%(圖2)。

　　

 

　　

 

　　在約束結構中自然澱積的GST可能完全是非晶的，退火後能轉變為晶體，分別如圖3a和3b所示。請注意，得到了～5nm的極細晶粒。晶粒尺寸非常小對於未來GST向小於10nm結構縮小是很重要的。

　　

 

　　在所做的工作中，GST填充的孔洞內的組分非常一致。圖4(a)和4(b)是用EDS測量的歸一化組分，通孔中位置1到5(對應通孔結構的頂部到底部)Ge、Sb和Te的分布非常一致。位置6和7(對應通孔的外部二側)的組分也與位置1-5的類似，說明在薄膜共形澱積過程中得到了極好的組分分布。測得的Sb分布變化較大，可能是由於用EDS測量Sb的不準確性，因信號小而準確性低。

　　

 

　　器件性能

　　復位電流

　　圖5(a)示出了PVD和MOCVD GST合金間器件復位電流性能比較測試結果。圖5(b)示出了用N和C摻雜的MOCVD GST325、用N和C摻雜的MOCVD GST225及沒有N和C的PVD GST225製作的PCM器件復位-電流(R-I)和I-V曲線的重疊情況。所有這些器件的名義尺寸是100nm，測得的尺寸MOCVD GST325為103nm，MOCVD GST225 和PVD GST225為106nm。在用MOCVD GST325製作的器件中，置位阻抗小於10kΩ而復位阻抗大於1MΩ，表明置位(結晶相)和復位(非晶相)之間有100x以上的動態範圍(見圖4(b))。用MOCVD GST325製作的器件中的復位電流是0.6mA，比用PVD GST225製作的器件的復位電流1.4mA小2x以上。復位電流減小可使更多器件平行編程，提高了對將PCM延伸到DRAM和SCM應用至關重要的寫入帶寬。研究工作還發現有C和N摻雜的MOCVD GST合金動態導通電阻較大，在編程過程中就產生更為有效的歐姆發熱，有助於二種MOCVD薄膜中所見的較低Ireset。

　　

 

　　器件速度和10年數據保持溫度

　　未來應用的最佳合金既要求速度性能，也要求提高數據保持溫度。MOCVD GST澱積工藝中的415 GST合金顯示出比GST225和GST325優越得多的性能。圖6(a)是MOCVD GST415合金的置位速度，為65ns，這比GST225合金典型的～200ns置位速度快3x。由於進行此測試的器件尺寸在～100nm，故尺寸在～10nm的器件速度有望大大增加。但是，在採用合適合金的特殊情況下，甚至尺寸在～100nm的器件都能得到高達12ns的速度。

　　

 

　　GST 415合金的另一個最重要性能是10年數據保持溫度為118℃(圖6(b))，比目前用於商用產品與廣泛用於研發活動的GST 225合金高近20℃。較高的數據保持溫度提高了器件可靠性，並能使GST在嵌入存儲器中用於較高溫度環境下的器件。SiO2納米晶摻雜的GST 415合金實際上能達到高於200℃的10年數據保持溫度。

　　循環壽命

　　相變存儲器的重要特性之一是其循環壽命比基於電荷的非易失存儲器(即NOR或NAND快閃記憶體)長1000x，由於電流誘發的漏電和其他蛻變機理，後者約在循環1x104至1x106次後失效。高循環壽命使得PCM成為SCM應用中DRAM部分潛在的替代存儲器，要求的循環至少1x109。 已有循環壽命達1x1013的個別探索型器件顯示出置位能量減少。由於其非易失性質，在替代DRAM時不需要數據更新，這就大大地減少了數據中心以至於個人計算機內的能耗。隨著用PCM存儲替代DRAM的軟體結構變化，研究預測，循環壽命1×1010對於替代DRAM可能已經足夠了。圖7著重示出了GST填充的70nm、3:1高深寬比器件中循環壽命>1×1010的器件。

　　

 

　　總結

　　表1總結了用MOCVD填充<100nm高深寬比結構的能力以及MOCVD GST 325 和 MOCVD GST 415與PVD GST 225比較的電學性能。第二行比較了填充不同深寬比的3D器件結構。證明ATMI MOCVD GST工藝能填充用於約束器件的較高深寬比和<40nm通孔。還說明了該工藝將能實現<15nm結構的填充。第3-7行是深寬比小於1:1製作的器件基本資料和電學特性。該工藝原理上說明通過現場摻雜C和N可調整並提高性能，依據GST 325合金復位電流減少2x，這優於PVD GST。可獲得品質優秀的GST 415合金用於高速器件。基於MOCVD GST的PCM可循環1×1010次以上，並在100℃以上高溫下工作。

　　

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