專利名稱：可逆相變材料電性能的表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可逆相變材料電性能的表征方法，具體地說涉及制備相變存儲器(PRAM)所用的相變材料與電極材料電學(xué)性能表征的簡單、實(shí)用的一種新方法，屬于微電子學(xué)中的納米材料的制備工藝與電學(xué)表征領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變隨機(jī)存儲器(PRAM，Phase-change-Random Access Memory)技術(shù)是基于S.R.Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末70年代初提出的硫系化合物薄膜可以應(yīng)用于相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的，是一種價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。由于當(dāng)時(shí)制備技術(shù)和工藝的限制，器件尺寸大，相變材料只能在較強(qiáng)電場下才發(fā)生相變，存儲時(shí)間在毫秒量級，與當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體存儲器相比相差甚大，就限制了其實(shí)用化研制的進(jìn)程。
實(shí)際上，用于存儲材料的特點(diǎn)是當(dāng)給它一個(gè)電脈沖或激光脈沖的加熱方法時(shí)，材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間能發(fā)生可逆相變。處于非晶態(tài)時(shí)呈現(xiàn)高阻(低反射率)，多晶態(tài)時(shí)呈現(xiàn)低阻(高反射率)，變化幅度可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級，這樣就可以制作光盤或非揮發(fā)性存儲器。硫系化合物光學(xué)性能的可逆變化特性已成功用于CD-RW(可擦寫光盤)、DVD-RW(可擦寫DVD光盤)、DVD-RAM(DVD隨機(jī)存儲器)和HD-DVD(高密度DVD光盤)等系列可擦重寫相變光盤。并已成為高密度光存儲的主流產(chǎn)品。
相變高密度光盤的產(chǎn)業(yè)化取得重大突破的前提下，Intel(英特爾)為代表的國際半導(dǎo)體大公司看到了PRAM巨大的商業(yè)價(jià)值，爭先恐后地在0.18、0.13μm工藝線上開發(fā)PRAM芯片，其推行力度與發(fā)展的速度遠(yuǎn)快于鐵電存儲器(FERAM)與鐵磁存儲器(MRAM)，研究表明相變隨機(jī)存儲器(PRAM)與目前的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)、閃存(FLASH)相比有明顯的優(yōu)勢它體積小，驅(qū)動(dòng)電壓低，功耗小，讀寫速度較快，非揮發(fā)。PRAM不僅是非揮發(fā)性存儲器，而且有可能制成多級存儲，并實(shí)用于超低溫和高溫環(huán)境，抗輻照、抗振動(dòng)，因此不僅將被廣泛應(yīng)用到日常的便攜式電子產(chǎn)品，而且在航空航天等領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用。尤其，在便攜式電子產(chǎn)品中它的高速、非揮發(fā)性正好彌補(bǔ)了FLASH和鐵電存儲器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾預(yù)言PRAM將取代FLASH、DARM和靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)，PRAM芯片將很快進(jìn)入市場。國際半導(dǎo)體聯(lián)合會在它2003年的ROADMAP中，同樣把PRAM預(yù)測為可以最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的存儲器。
PRAM的研究始于公司，從近三年發(fā)展看，產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)遠(yuǎn)超過它的應(yīng)用基礎(chǔ)研究水平，如能帶來存儲器革命性變革的多級存儲需更多的基礎(chǔ)研究，從SAMSUNG(三星)制備的64M PRAM讀、寫、擦電性能分散性就是一個(gè)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究問題。
然而目前研究相變隨機(jī)存儲器面臨一個(gè)主要問題，就是如何致力于降低其工作電流，特別是其中要求比較大的寫入電流。因?yàn)橄嘧兇鎯ζ饕蚆OS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)器件集成，工作電流由MOS管提供。眾所周知，通過MOS管的電流是有限度的，而且減小電流對于減小整個(gè)器件的功耗也是特別重要的。對此，工業(yè)界提出了多種不同的解決方案。其中一種方法就是減小加熱電極與相變材料接觸面積從而增加電流密度。如三星(Samsung)在2003年提出并使用的Spacer Patterning Technology[1.Yang-Kyu Choi，su-Jae King，IEEE transaction on electron devicse，VOL.49，NO.3，436；2.H.Horri，J.H.Yi，J.H.Park，Y.H Ha，I.G.Baek，S.O.Park，Y.N.Hwang，Symposium on VLSI Tech Digest of Tech Papers，2003]，邊緣接觸法[Y.H Ha，J.H.Yi，J.H.Park，S.H.Joo，S.O.Park，U-In Chung，J.T.Moon，Symposiumon VLSI Tech Digest of Tech Papers，2003]等。
國內(nèi)外的研究院所很少有制備PRAM納電子器件的0.13μm以下工藝線，在沒有做出器件的情況下，很難開展對可逆相變材料的深入研究。在已發(fā)表的大量文獻(xiàn)中，研究材料的光學(xué)性能比較多，研究材料的結(jié)構(gòu)、成核與生長的結(jié)果比較多，但材料關(guān)鍵的電學(xué)參數(shù)如開啟電壓Vth，讀出電阻R，材料可逆相變的疲勞特性，包括3-12英寸片的電性能的重復(fù)性、穩(wěn)定性，這正是工業(yè)制備PRAM芯片關(guān)鍵材料參數(shù)，也是我們本專利出發(fā)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種相變存儲器中相變材料和電極材料電性能表征的新方法，本發(fā)明提供的方法是在不用微細(xì)加工與納米組裝的前提下，通過探針臺納米到亞微米針尖與W/Ti/SiO2/Si襯底的相變材料構(gòu)成存儲單元，通過探針臺接口上的I-V測試系統(tǒng)與C-RAM測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對相變材料可逆相變操作，對其讀、寫、擦與疲勞特性等電性能進(jìn)行表征。針對工業(yè)界用于流片的3-12英寸的電極材料、可逆相變材料的電學(xué)性能的均勻性、重復(fù)性和穩(wěn)定性同樣可以通過上面的方式在探針臺旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)下進(jìn)行表征。通過封閉的升降溫系統(tǒng)，對可逆相變材料在惡劣環(huán)境下的電學(xué)性能進(jìn)行表征。其特征在于(a)由探針臺上的二根探針，一根與硅片過渡層上的熱穩(wěn)定性與導(dǎo)電性好的金屬薄膜歐姆接觸，另一根針尖尺度在納米到微米量級的探針與底電極上的可逆相變材料接觸，形成一個(gè)最簡單的相變存儲器單元。相變區(qū)域首先發(fā)生在探針針尖與相變材料的接觸部位，可逆相變區(qū)域(橫向與縱向尺度)大小與針尖面積，施加在針尖上的電能有關(guān)，針尖面積規(guī)定了存儲器的器件尺度。
(b)相變存儲單元與I-V測試系統(tǒng)連結(jié)起來，從而可以實(shí)現(xiàn)存儲單元由非晶到多晶的相變，用于研究開啟電壓，相變前后的電阻特性，同時(shí)在一定的電壓電流范圍，多次操作可以研究相變區(qū)域由小變大的過程，直至相變的最大飽和尺度。
(c)由上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微米到亞微米器件相變區(qū)域由多晶向非晶的轉(zhuǎn)變，可通過C-RAM(相變存儲器)測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。由多晶向非晶的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變區(qū)域的大小可以通過電壓脈沖信號的脈高、脈寬來控制。同時(shí)可以通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對材料可逆相變操作，存儲器重復(fù)讀、寫、擦與疲勞特性的研究。
(d)3-12英寸的電極材料、可逆相變材料的電學(xué)性能的均勻性、重復(fù)性和穩(wěn)定性同樣可以通過上面的方式在探針臺旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)下進(jìn)行表征。
(e)通過特制帶探針的封閉、升降溫系統(tǒng)，采用以上的方案，可以對可逆相變材料在惡劣環(huán)境下的電學(xué)性能進(jìn)行表征。
所述的存儲器單元的尺度主要決定于可逆相變材料接觸的針尖面積，針尖的直徑在95nm-5μm，根據(jù)在電壓作用下針尖與下電極電場分布情況，電能轉(zhuǎn)化成熱能來驅(qū)動(dòng)可逆相變材料發(fā)生相變，電能與電場密度指數(shù)的平方成正比的原則，因此，相變發(fā)生區(qū)域應(yīng)當(dāng)在針尖的最尖端周圍，所以當(dāng)針尖潛入到可逆相變材料幾個(gè)納米與針尖正好落在薄膜表面的操作結(jié)果產(chǎn)生大的差別，如選用鍺銻碲體系的可逆相變材料，薄膜很軟，在針尖潛入的過程中也不會對此產(chǎn)生大的損傷，而影響測試結(jié)果。且針尖越細(xì)，其影響測試結(jié)果的誤差越小。所以針尖的直徑應(yīng)限定在95nm～5μm范圍為佳。
所述的過渡層為磁控濺射Ti薄膜或熱氧化SiO2上的Ti薄膜，Ti的厚度為20-60nm范圍，SiO2厚度為0.5-20μm范圍。
所述的金屬薄膜作為構(gòu)成PRAM器件的底電極，為W或Pt等導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性好的金屬或其他合金薄膜，采用常規(guī)的高真空電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法來制備，其厚度在60-200nm范圍。
所述的可逆相變材料，采用磁控濺射的方法制備，其厚度在40-200nm范圍。
所述的I-V測試系統(tǒng)的電壓范圍在1-100V，電流測量精度在1pA以上，整個(gè)操作過程計(jì)算機(jī)控制，電壓范圍和步長可根據(jù)需求來設(shè)定。
所述的在一定電壓、電流范圍內(nèi)，通過多次操作，可以實(shí)現(xiàn)相變區(qū)域由小變大的過程，直至相變的最大飽和尺度。
所述C-RAM測試系統(tǒng)主要包括脈沖發(fā)生器、探針臺、數(shù)字信號源、示波器、接口電路板及控制計(jì)算機(jī)等幾部分，該系統(tǒng)具有以下功能a.實(shí)現(xiàn)C-RAM器件的讀、寫、擦操作；b.測試C-RAM器件的疲勞特性；c.實(shí)時(shí)監(jiān)控；d.菜單式模塊軟件，操作過程的全面自動(dòng)化控制。
通過調(diào)節(jié)C-RAM測試系統(tǒng)中的電壓脈沖高度在0.5-3.0V，脈寬在25-50ns范圍，多晶到非晶的相變，相變區(qū)域由小變大的過程，直至相變的最大飽和尺度，實(shí)現(xiàn)多晶向非晶的全部轉(zhuǎn)化。
所述的通過控制電壓脈沖高度、脈寬就可實(shí)現(xiàn)材料的可逆相變，通過I-V測試系統(tǒng)在0.4V以下，分別得到多晶與非晶時(shí)的電阻值，反復(fù)操作研究材料在可逆相變下的疲老特性。
所述的3-12英寸的硅片上的電極材料、可逆相變材料的電學(xué)性能的均勻性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，對通過嚗光、刻蝕、拋光等工藝制備芯片是至關(guān)重要的，同樣可以通過上面的方式在探針臺旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)下對其進(jìn)行表征，在電極材料、可逆相變材料電性能一致的情況下，可以有效地減小C-RAM芯片讀、寫、擦等電參量的分散性。
采用以上的方案，可以對可逆相變材料在-200℃-+200℃，在各種化學(xué)氣氛等惡劣環(huán)境下的電學(xué)性能進(jìn)行表征。


圖1本發(fā)明提供的測試方法示意圖；1.升、降溫控制系統(tǒng)；2.封閉容器；3.3-12英寸的硅片；4.過渡層；5.底電極；6.可逆相變化合物材料；7.與底電極歐姆接觸的探針；8.與可逆相變材料保持歐姆接觸或納米潛入尺度的探針；9.自動(dòng)控制操作的I-V測試系統(tǒng)；10.相變存儲器測試系統(tǒng)。
圖2用本發(fā)明提供的方法測定GeTeSb薄膜的相變最大飽和尺度曲線。
圖3GeTeSb薄膜有多晶到非晶的相變，相變區(qū)域隨脈沖變化。
圖4圖1中(1)的封閉容器中升、降溫控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一主要用磁控濺射法沉積材料，其簡單單元器件制備步驟和測試方式是(1)用氧化硅片做襯底，氧化硅的厚度為1μm，先用磁控濺射方法在室溫下沉積過渡層Ti，厚度在20nm左右，緊接著濺射下電極材料W，厚度在100nm左右，功率為300W，本底真空為4×10-6torr，濺射真空為0.10Pa。
(2)再磁控濺射GeTeSb薄膜，厚度為80nm，濺射功率100W，本底真空為3×10-6torr，濺射真空為0.08Pa。
(3)制備好的材料放入圖1所示的封閉容器之中，依圖4所示升、降溫進(jìn)行溫度控制，并可視需要抽真空、充入液氮或其他氣體保護(hù)。CASCADERHM-06探針臺上的一根探針與W/Ti/SiO2/Si襯底上的W金屬薄膜保持歐姆接觸，另一根探針針尖直徑為2.4μm與底電極上的GeTeSb薄膜接觸，形成一個(gè)最簡單的相變存儲器單元。
(4)與KEITHLEY 2400-C的計(jì)算機(jī)控制的I-V測試系統(tǒng)聯(lián)接，可研究存儲單元由非晶到多晶的相變，用于研究開啟電壓，相變前后的電阻特性，同時(shí)可以研究相變區(qū)域由小變大的過程，直至相變的最大飽和尺度。在0-2V操作電壓下，5次重復(fù)操作，可以實(shí)現(xiàn)GeTeSb薄膜在非晶向多晶的轉(zhuǎn)化過程中，相變區(qū)域由小變大的過程，直致相變的最大飽和尺度。見圖2。
實(shí)施例二實(shí)施例一(1)-(4)不變，通過旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)CASCADE RHM-06探針臺。表征4英寸硅片上GeTeSb薄膜各點(diǎn)的I-V特能，可以看到GeTeSb薄膜均勻性、重復(fù)性和穩(wěn)定性的情況。
實(shí)施例三實(shí)施例一(1)-(4)不變，在封閉的加熱容器中，保溫120℃，研究I-V特性。結(jié)果與圖2相似。
實(shí)施例四通過調(diào)節(jié)C-RAM測試系統(tǒng)中電壓脈沖高度3.0，脈寬為20ns、30ns，測定GeTeSb薄膜有多晶到非晶的相變，相變區(qū)域隨脈寬而變化(圖3)，其余均同實(shí)施例一。
上述4個(gè)實(shí)施例將有助有理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于(a)由探針臺的二根探針，一根與硅片過渡層上的金屬薄膜歐姆接觸，另一根針尖尺度在納米到微米量級的探針與底電極上的可逆相變材料接觸，形成一個(gè)最簡單的相變存儲器單元；(b)通過探針臺接口上的I-V測試系統(tǒng)或相變隨機(jī)存儲器測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可逆相變操作，從而進(jìn)行電性能表征。
2.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于所述針尖尺寸在納米到微米量級，針尖直徑為95nm～5μm。
3.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于相變存儲單元與I-V測試系統(tǒng)連結(jié)，實(shí)現(xiàn)存儲單元由非晶到多晶的相變，相變區(qū)域由小變大的過程，直至相變的最大飽和尺度。
4.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于通過相變隨機(jī)存儲器測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)由多晶向非晶的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變區(qū)域的大小通過電壓脈沖信號的脈高、脈寬來控制；同時(shí)可以通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對材料可逆相變操作，存儲器重復(fù)讀、寫、擦與疲勞特性的表征。
5.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于所述的I-V測試系統(tǒng)電壓范圍在1-100V，電流測量精度在1pA以上，整個(gè)操作過程計(jì)算機(jī)控制。
6.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于所述的相變隨機(jī)存儲器測試系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)生器、探針臺、數(shù)字信號源、示波器、接口電路板及控制計(jì)算機(jī)組成。電壓脈沖高度在0.2-5.0V，脈寬在10-200ns范圍。
7.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于過渡層為磁控濺射的Ti薄膜或熱氧化SiO2上Ti薄膜，厚度為20-60nm，SiO2厚度為0.5-20μm范圍。
8.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于底電極為W或Pt中一種或合金薄膜，厚度在60-200nm范圍。
9.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于濺射在底電極上的可逆相變材料為硫?qū)倩衔锉∧?，其厚度?0-200nm范圍。
10.按權(quán)利要求1所述的可逆相變材料電性能的表征方法，其特征在于表征的可逆相變材料在溫度范圍-200℃-+200℃，以及真空、液氮或其他氣氛中進(jìn)行表征。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備相變存儲器(PRAM)所用的相變材料電性能表征的方法，其特征為通過探針與W/SiO
文檔編號B82B3/00GK1588664SQ20041005356
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者宋志棠, 封松林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所