[發明專利]分析器件操作窗口與相變材料納米尺寸效應的實驗方法

無效

• 申請號: 201110103677.4
• 申請日: 2011-04-25
• 公開（公告）號: CN102759669A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 宋志棠;吳良才;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;H01L45/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及相變存儲器的材料及結構，尤其是指一種用于分析器件操作窗口與相變材料納米尺寸效應的實驗方法，屬于微電子學中特殊器件與工藝領域。

背景技術

在目前的新型存儲技術中，基于硫系半導體材料的相變存儲器(PCRAM)具有成本低，速度快，存儲密度高，制造簡單且與當前的CMOS(互補金屬-氧化物-半導體)集成電路工藝兼容性好的突出優點，受到世界范圍的廣泛關注。降低電流和功耗、提高數據保持力和相變材料的可靠性是目前最主要的研究方向之一，全世界各大公司相繼投入了相變存儲器的研究行列，主要研究單位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST?Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British?Areospace、Hitachi和Macronix等。

降低功耗、提高數據保持力和可靠性可以從材料和器件結構兩個方面進行改善。其中，器件結構方面的改善方法也是多種多樣的，相變存儲器的結構大致分為經典“蘑菇型”結構、μ-Trench結構、Pore結構、GST限制結構、邊緣接觸結構、量子線結構、GST側墻結構等。經典T-shape的結構關鍵在于底部加熱電極的制備方法，此種結構的操作區域的減小只能通過縮小底部電極的方法來實現，從而達到降低操作電壓和降低功耗的目的。各種結構的目的都是為了減小電極和相變材料的接觸區域，從而實現set與reset的可逆相變區域的減小，達到降低電流和功耗的目的。相變區域的減小與操作電流的降低呈現明顯的線性關系，減小相變操作區域的方法大致有兩種，分別為減小相變材料的尺寸和減小加熱電極的尺寸，同時通過電極與相變材料間的介質過渡層，有效阻止可逆相變過程的熱量擴散也是實現低壓、低功耗的有效途徑。

此外，隨著相變存儲技術和CMOS工藝朝45nm以下發展，迫切需要研究相變材料本身以及由相變材料構成的存儲單元在納米尺度下的電學與存儲性質、納米尺寸效應、納米尺度下相變材料與器件操作窗口的變化規律。

發明內容

本發明主要解決的技術問題在于提供分析器件操作窗口與相變材料納米尺寸效應的實驗方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種分析器件操作窗口與相變材料納米尺寸效應的實驗方法，包括如下步驟：

(1)在多片相同的半導體襯底上分別制備介質層，再在介質層上制備下電極層，然后在各個下電極層上分別制備不同厚度的相變材料層；

(2)在各個相變材料層上分別制備上電極層；

(3)利用光學光刻工藝將每個上電極層刻蝕成多個不同尺寸的上電極，上電極尺寸為500nm-10000nm；從而得到多個測試樣品，其中，每個測試樣品具有同一下電極層和多個不同尺寸的上電極，且各個測試樣品具有不同厚度的相變材料層；

(4)利用納米探針分別探觸測試樣品的下電極層和其多個不同尺寸的上電極，進行電學與存儲性能測試，獲取不同尺寸的上電極和不同厚度的相變材料層對應的電學與存儲性能測試數據，從而通過測試數據分析其中的納米尺寸效應。

作為該實驗方法的優選方案，所述下電極層或上電極的材料采用Al、Cu、W、TiW、TiN、TiAlN中的一種或多種。

作為該實驗方法的優選方案，所述相變材料層采用Ge-Sb-Te基系列、Ge-Te基系列或Si基系列的相變材料。

作為該實驗方法的優選方案，所述相變材料層選用的厚度為50-200nm。

作為該實驗方法的優選方案，所述電學與存儲性能測試包括I-V測試、SET測試、RESET測試以及脈沖電流或電壓操作下的可逆轉變特性。

另一種分析器件操作窗口與相變材料納米尺寸效應的實驗方法，包括如下步驟：

(1)在多片相同的半導體襯底上分別制備介質層，再在介質層上制備下電極層，然后在各個下電極層上分別制備不同厚度的相變材料層；

(2)在各個相變材料層上分別制備上電極層；

(3)利用電子束光刻工藝將每個上電極層刻蝕成多個不同尺寸的上電極，上電極尺寸為20nm-200nm，從而得到多個測試樣品，其中，每個測試樣品具有同一下電極層和一系列不同尺寸的上電極，且具有不同厚度的相變材料層；

(4)利用聚焦離子束(FIB)工藝在每個上電極上淀積金屬引線，并分別將金屬引線連接到測試電極上，進行電學與存儲性能測試，獲取不同尺寸的上電極和不同厚度的相變材料層對應的電學與存儲性能測試數據，從而通過測試數據分析其中的納米尺寸效應。