相变存储器新型相变开关材料的制备和性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

作为一种新型存储技术,相变存储技术表现出非易失性、读写速度快、使用寿命长以及与现有半导体技术兼容性好等优点,自进入人们视野以来,便引起了众多研究者的关注,尤其在近10年发展飞速。相变存储材料存在结晶速度慢、结晶温度低、热稳定性差以及操作电压高等缺点,目前常用的改性方法为在原材料基础上通过掺杂非金属元素或金属元素,使其结晶速度、电阻率、热稳定性、晶粒尺寸、操作电压以及使用寿命等得到优化。如近几年开发的Ti-Sb-Te及Sc-Sb-Te新型相变存储材料,其在结晶温度、结晶速度以及热稳定性等多个方面的性能均有所提升,有望成为相变存储器的候选材料。

3DXpoint存储设备的出现由于其简单的两端子结构适用于高密度存储阵列而备受关注。为了实现3DXpoint存储器阵列，需要选通管，该选通管可以充分地减少在未选择的单元中流动的串扰电流，以防止可能的读取错误。尽管已经报道了不同种类的选通管，但它们都不满足所有要求，例如以确保大型存储阵列的高选择性，快速的操作速度，高耐用性以及良好的热稳定性。基于硫系化合物材料的Ovonic门限开关（OTS）选通管由于其良好的电学开关机制，具有场相关的突变和快速切换等特点，是潜在的候选器件。尽管有报道称很多材料体系都表现出OTS特性，但大多数体系的材料组成过于复杂。最近，基于简单二元系统的OTS选通管已经出现，该选通管以Se或Te作为主要成分，已经成为解决材料复杂性的潜在解决方案。根据报告，基于Te的OTS器件表现出良好的电性能，而基于Se的OTS器件表现出更好的热稳定性。但是，Te基硫族化物的热稳定性差，阈值电压高以及Se基材料的性能差会妨碍其在3DXpoint阵列中的功能。在这一点上，似乎在OTS选通管的电性能和热稳定性之间需要做出牺牲。然而为了实现适用于3DXpoint存储器阵列的OTS选通管，必须克服这一问题。

本课题将设计一种基于C–Te的新型二元体系OTS选通管，该选通管具有较高的电性能和较高的热稳定性，这是由于C的原子尺寸小，可以有效地抑制Te原子的偏析并使膜保持在非晶态。本课题设计的新器件可以通过控制膜的成分、厚度和其他参数，来调节其电学性能。

2. 研究内容和预期目标

设计一种基于C–Te的新型二元体系OTS选通管，该选通管具有较高的电性能和较高的热稳定性。针对新型相变存储材料应用于相变驱动选通管的可行性验证开展研究，主要包括材料制备工艺参数优化、材料组分优选、材料基本电学/热学/结构性能表征及单元器件制备及性能测试。预期达到筛选出合适的相变材料，并用于制备相关选通器件。

3. 研究的方法与步骤

本实验使用的方法和步骤如下：

1.用磁控溅射方法在钨底电极上镀一层C-Te薄膜，通过匀胶、曝光、刻蚀等工艺制备完善的器件，最后再镀上一层TiN/Al作为顶电极，制备选通管基础器件。2.对制备好的选通管器件进行I-V测试，疲劳性能测试。3.使用XRD、RT、SEM、TEM等对选通管材料进行晶相、结晶温度、微观结构等测定。

4. 参考文献

[1] 封松林，宋志棠，刘波，刘卫丽。硫系化合物随机存储器研究进展，微纳电子技术，2004，41(4)：1-7, 39

[2] 刘波，宋志棠，封松林。相变型半导体存储器研究进展，物理，2005，34(4): 279-286

[3] 高丹，刘波。相变存储器失效机理的研究进展，物理，2018, 47(3)：153-161

5. 计划与进度安排

1、2022-11-28至2022-2-28，课题立项、文献阅读、任务布置

2、2022-3-1至2022-3-20，实验设备熟悉及操作培训

3、2022-3-21至2022-4-20，制备基础器件，并通过匀胶、曝光、刻蚀等工艺制备完善器件