可逆相变材料电性能的表征方法.pdf

本发明涉及制备相变存储器(PRAM)所用的相变材料电性能表征的方法，其特征为：通过探针与W/SiO2/Si衬底上相变材料构成存储单元，相变区域首先发生在针尖与相变材料的接触部位，可逆相变区域(纵向与横向尺度)大小与针尖面积、施加在针尖上的电能有关，针尖面积规定了存储器的器件尺度，相变材料非晶到多晶的转变可通过探针接口上的I－V测试系统来实现，一定的电压、电流范围，多次操作，相变区域可由小变大，直致最大饱和尺度。多晶向非晶的转变，可通过PRAM测试系统来实现，转变区域可通过电压脉冲信号脉高、脉宽来控制。该系统可实现对材料可逆相变操作，实现存储单元读、写、擦与疲劳特性的研究。

1、  一种可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于：
(a)由探针台的二根探针，一根与硅片过渡层上的金属薄膜欧姆接触，另一根针尖尺度在纳米到微米量级的探针与底电极上的可逆相变材料接触，形成一个最简单的相变存储器单元；
(b)通过探针台接口上的I-V测试系统或相变随机存储器测试系统实现可逆相变操作，从而进行电性能表征。

2、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于所述针尖尺寸在纳米到微米量级，针尖直径为95nm～5μm。

3、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于相变存储单元与I-V测试系统连结，实现存储单元由非晶到多晶的相变，相变区域由小变大的过程，直至相变的最大饱和尺度。

4、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于通过相变随机存储器测试系统来实现由多晶向非晶的转化，转变区域的大小通过电压脉冲信号的脉高、脉宽来控制；同时可以通过该系统实现对材料可逆相变操作，存储器重复读、写、擦与疲劳特性的表征。

5、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于所述的I-V测试系统电压范围在1-100V，电流测量精度在1pA以上，整个操作过程计算机控制。

6、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于所述的相变随机存储器测试系统主要由脉冲发生器、探针台、数字信号源、示波器、接口电路板及控制计算机组成。电压脉冲高度在0.2-5.0V，脉宽在10-200ns范围。

7、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于过渡层为磁控溅射的Ti薄膜或热氧化SiO₂上Ti薄膜，厚度为20-60nm，SiO₂厚度为0.5-20μm范围。

8、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于底电极为W或Pt中一种或合金薄膜，厚度在60-200nm范围。

9、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于溅射在底电极上的可逆相变材料为硫属化合物薄膜，其厚度在40-200nm范围。

10、  按权利要求1所述的可逆相变材料电性能的表征方法，其特征在于表征的可逆相变材料在温度范围-200℃-+200℃，以及真空、液氮或其他气氛中进行表征。

可逆相变材料电性能的表征方法
技术领域
本发明涉及一种可逆相变材料电性能的表征方法，具体地说涉及制备相变存储器(PRAM)所用的相变材料与电极材料电学性能表征的简单、实用的一种新方法，属于微电子学中的纳米材料的制备工艺与电学表征领域。
技术背景
相变随机存储器(PRAM，Phase-change-Random Access Memory)技术是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的硫系化合物薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。由于当时制备技术和工艺的限制，器件尺寸大，相变材料只能在较强电场下才发生相变，存储时间在毫秒量级，与当时的半导体存储器相比相差甚大，就限制了其实用化研制的进程。
实际上，用于存储材料的特点是：当给它一个电脉冲或激光脉冲的加热方法时，材料在非晶态与多晶态之间能发生可逆相变。处于非晶态时呈现高阻(低反射率)，多晶态时呈现低阻(高反射率)，变化幅度可达几个数量级，这样就可以制作光盘或非挥发性存储器。硫系化合物光学性能的可逆变化特性已成功用于CD-RW(可擦写光盘)、DVD-RW(可擦写DVD光盘)、DVD-RAM(DVD随机存储器)和HD-DVD(高密度DVD光盘)等系列可擦重写相变光盘。并已成为高密度光存储的主流产品。
相变高密度光盘的产业化取得重大突破的前提下，Intel(英特尔)为代表的国际半导体大公司看到了PRAM巨大的商业价值，争先恐后地在0.18、0.13μm工艺线上开发PRAM芯片，其推行力度与发展的速度远快于铁电存储器(FERAM)与铁磁存储器(MRAM)，研究表明：相变随机存储器(PRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显的优势：它体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发。PRAM不仅是非挥发性存储器，而且有可能制成多级存储，并实用于超低温和高温环境，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到日常的便携式电子产品，而且在航空航天等领域有巨大的潜在应用。尤其，在便携式电子产品中它的高速、非挥发性正好弥补了FLASH和铁电存储器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾预言PRAM将取代FLASH、DARM和静态随机存储器(SRAM)，PRAM芯片将很快进入市场。国际半导体联合会在它2003年的ROADMAP中，同样把PRAM预测为可以最先实现商业化的存储器。
PRAM的研究始于公司，从近三年发展看，产业化的推进远超过它的应用基础研究水平，如能带来存储器革命性变革的多级存储需更多的基础研究，从SAMSUNG(三星)制备的64M PRAM读、写、擦电性能分散性就是一个重要的应用基础研究问题。
然而目前研究相变随机存储器面临一个主要问题，就是如何致力于降低其工作电流，特别是其中要求比较大的写入电流。因为相变存储器要和MOS(金属-氧化物-半导体)器件集成，工作电流由MOS管提供。众所周知，通过MOS管的电流是有限度的，而且减小电流对于减小整个器件的功耗也是特别重要的。对此，工业界提出了多种不同的解决方案。其中一种方法就是减小加热电极与相变材料接触面积从而增加电流密度。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]，边缘接触法[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。
国内外的研究院所很少有制备PRAM纳电子器件的0.13μm以下工艺线，在没有做出器件的情况下，很难开展对可逆相变材料的深入研究。在已发表的大量文献中，研究材料的光学性能比较多，研究材料的结构、成核与生长的结果比较多，但材料关键的电学参数如开启电压V_th，读出电阻R，材料可逆相变的疲劳特性，包括3-12英寸片的电性能的重复性、稳定性，这正是工业制备PRAM芯片关键材料参数，也是我们本专利出发点。
发明内容
本发明提供了一种相变存储器中相变材料和电极材料电性能表征的新方法，本发明提供的方法是在不用微细加工与纳米组装的前提下，通过探针台纳米到亚微米针尖与W/Ti/SiO₂/Si衬底的相变材料构成存储单元，通过探针台接口上的I-V测试系统与C-RAM测试系统来实现对相变材料可逆相变操作，对其读、写、擦与疲劳特性等电性能进行表征。针对工业界用于流片的3-12英寸的电极材料、可逆相变材料的电学性能的均匀性、重复性和稳定性同样可以通过上面的方式在探针台旋转、移动下进行表征。通过封闭的升降温系统，对可逆相变材料在恶劣环境下的电学性能进行表征。其特征在于：
(a)由探针台上地二根探针，一根与硅片过渡层上的热稳定性与导电性好的金属薄膜欧姆接触，另一根针尖尺度在纳米到微米量级的探针与底电极上的可逆相变材料接触，形成一个最简单的相变存储器单元。相变区域首先发生在探针针尖与相变材料的接触部位，可逆相变区域(横向与纵向尺度)大小与针尖面积，施加在针尖上的电能有关，针尖面积规定了存储器的器件尺度。
(b)相变存储单元与I-V测试系统连结起来，从而可以实现存储单元由非晶到多晶的相变，用于研究开启电压，相变前后的电阻特性，同时在一定的电压电流范围，多次操作可以研究相变区域由小变大的过程，直至相变的最大饱和尺度。
(c)由上述结构构成的微米到亚微米器件相变区域由多晶向非晶的转变，可通过C-RAM(相变存储器)测试系统来实现。由多晶向非晶的转化，转变区域的大小可以通过电压脉冲信号的脉高、脉宽来控制。同时可以通过该系统实现对材料可逆相变操作，存储器重复读、写、擦与疲劳特性的研究。
(d)3-12英寸的电极材料、可逆相变材料的电学性能的均匀性、重复性和稳定性同样可以通过上面的方式在探针台旋转、移动下进行表征。
(e)通过特制带探针的封闭、升降温系统，采用以上的方案，可以对可逆相变材料在恶劣环境下的电学性能进行表征。
所述的存储器单元的尺度主要决定于可逆相变材料接触的针尖面积，针尖的直径在95nm-5μm，根据在电压作用下针尖与下电极电场分布情况，电能转化成热能来驱动可逆相变材料发生相变，电能与电场密度指数的平方成正比的原则，因此，相变发生区域应当在针尖的最尖端周围，所以当针尖潜入到可逆相变材料几个纳米与针尖正好落在薄膜表面的操作结果产生大的差别，如选用锗锑碲体系的可逆相变材料，薄膜很软，在针尖潜入的过程中也不会对此产生大的损伤，而影响测试结果。且针尖越细，其影响测试结果的误差越小。所以针尖的直径应限定在95nm～5μm范围为佳。
所述的过渡层为磁控溅射Ti薄膜或热氧化SiO₂上的Ti薄膜，Ti的厚度为20-60nm范围，SiO₂厚度为0.5-20μm范围。
所述的金属薄膜作为构成PRAM器件的底电极，为W或Pt等导电性能和热稳定性好的金属或其他合金薄膜，采用常规的高真空电子束蒸发或磁控溅射的方法来制备，其厚度在60-200nm范围。
所述的可逆相变材料，采用磁控溅射的方法制备，其厚度在40-200nm范围。
所述的I-V测试系统的电压范围在1-100V，电流测量精度在1pA以上，整个操作过程计算机控制，电压范围和步长可根据需求来设定。
所述的在一定电压、电流范围内，通过多次操作，可以实现相变区域由小变大的过程，直至相变的最大饱和尺度。
所述C-RAM测试系统主要包括脉冲发生器、探针台、数字信号源、示波器、接口电路板及控制计算机等几部分，该系统具有以下功能：
a.实现C-RAM器件的读、写、擦操作；
b.测试C-RAM器件的疲劳特性；
c.实时监控；
d.菜单式模块软件，操作过程的全面自动化控制。
通过调节C-RAM测试系统中的电压脉冲高度在0.5-3.0V，脉宽在25-50ns范围，多晶到非晶的相变，相变区域由小变大的过程，直至相变的最大饱和尺度，实现多晶向非晶的全部转化。
所述的通过控制电压脉冲高度、脉宽就可实现材料的可逆相变，通过I-V测试系统在0.4V以下，分别得到多晶与非晶时的电阻值，反复操作研究材料在可逆相变下的疲老特性。
所述的3-12英寸的硅片上的电极材料、可逆相变材料的电学性能的均匀性、重复性和稳定性，对通过嚗光、刻蚀、抛光等工艺制备芯片是至关重要的，同样可以通过上面的方式在探针台旋转、移动下对其进行表征，在电极材料、可逆相变材料电性能一致的情况下，可以有效地减小C-RAM芯片读、写、擦等电参量的分散性。
采用以上的方案，可以对可逆相变材料在-200℃-+200℃，在各种化学气氛等恶劣环境下的电学性能进行表征。
图1：本发明提供的测试方法示意图；
1.升、降温控制系统；2.封闭容器；3.3-12英寸的硅片；4.过渡层；5.底电极；6.可逆相变化合物材料；7.与底电极欧姆接触的探针；8.与可逆相变材料保持欧姆接触或纳米潜入尺度的探针；9.自动控制操作的I-V测试系统；10.相变存储器测试系统。
图2：用本发明提供的方法测定GeTeSb薄膜的相变最大饱和尺度曲线。
图3：GeTeSb薄膜有多晶到非晶的相变，相变区域随脉冲变化。
图4：图1中(1)的封闭容器中升、降温控制系统。
实施例一：主要用磁控溅射法沉积材料，其简单单元器件制备步骤和测试方式是：
(1)用氧化硅片做衬底，氧化硅的厚度为1μm，先用磁控溅射方法在室温下沉积过渡层Ti，厚度在20nm左右，紧接着溅射下电极材料W，厚度在100nm左右，功率为300W，本底真空为4×10^-6torr，溅射真空为0.10Pa。
(2)再磁控溅射GeTeSb薄膜，厚度为80nm，溅射功率100W，本底真空为3×10^-6torr，溅射真空为0.08Pa。
(3)制备好的材料放入图1所示的封闭容器之中，依图4所示升、降温进行温度控制，并可视需要抽真空、充入液氮或其他气体保护。CASCADERHM-06探针台上的一根探针与W/Ti/SiO₂/Si衬底上的W金属薄膜保持欧姆接触，另一根探针针尖直径为2.4μm与底电极上的GeTeSb薄膜接触，形成一个最简单的相变存储器单元。
(4)与KEITHLEY 2400-C的计算机控制的I-V测试系统联接，可研究存储单元由非晶到多晶的相变，用于研究开启电压，相变前后的电阻特性，同时可以研究相变区域由小变大的过程，直至相变的最大饱和尺度。在0-2V操作电压下，5次重复操作，可以实现GeTeSb薄膜在非晶向多晶的转化过程中，相变区域由小变大的过程，直致相变的最大饱和尺度。见图2。
实施例二：实施例一(1)-(4)不变，通过旋转、移动CASCADE RHM-06探针台。表征4英寸硅片上GeTeSb薄膜各点的I-V特能，可以看到GeTeSb薄膜均匀性、重复性和稳定性的情况。
实施例三：实施例一(1)-(4)不变，在封闭的加热容器中，保温120℃，研究I-V特性。结果与图2相似。
实施例四：通过调节C-RAM测试系统中电压脉冲高度3.0，脉宽为20ns、30ns，测定GeTeSb薄膜有多晶到非晶的相变，相变区域随脉宽而变化(图3)，其余均同实施例一。
上述4个实施例将有助有理解本发明，但并不限制本发明的内容。