用于相變存儲器的GeSbTe MOCVD共形淀積

　　成功地將CVD或ALD淀積的GST合金用于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?？煽康墓残蔚矸e，這些特性包括無空洞淀積、對SiO2和上/下金屬電極的粘附性好，以及在400℃時材料性質穩(wěn)定，能經受隨后的器件加工步驟。也需要這樣的合金，即能有低復位電流、至少1×106的高循環(huán)壽命、10年數(shù)據(jù)保持溫度高于85℃、短置位時間或快速置位、在置位或晶態(tài)時阻抗低及復位或非晶態(tài)時阻抗高。滿足這些要求將提供非晶相和晶相之間一個寬范圍電阻率，這是多層單元儲存(MLC)應用所希望的。

　　ATMI開發(fā)了能填充深寬比大于3:1、尺寸小于15nm結構的MOCVD工藝(金屬有機物化學氣相淀積)，見圖2。CVD工藝是優(yōu)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(yōu)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(fā)成熟的MOCVD淀積GST材料性質獲得的電學特性。一是用MOCVD淀積的325GST合金，與PVD GST合金比較，它減少復位電流2-3x，顯示了NOR閃存應用的可能性。二是用MOCVD淀積的415GST合金，其置位速度65ns，10年數(shù)據(jù)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(huán)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共形淀積(在GST相圖左下的橙色區(qū)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(qū)域是Te含量大于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。因為一般的淀積薄膜是結晶體，因而不平整也不共形，這是淀積中典型前驅物需用的高淀積溫度的結果。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工藝示范中，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)。

　　在約束結構中自然淀積的GST可能完全是非晶的，退火后能轉變?yōu)榫w，分別如圖3a和3b所示。請注意，得到了～5nm的極細晶粒。晶粒尺寸非常小對于未來GST向小于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，說明在薄膜共形淀積過程中得到了極好的組分分布。測得的Sb分布變化較大，可能是由于用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制作的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制作的器件中，置位阻抗小于10kΩ而復位阻抗大于1MΩ，表明置位(結晶相)和復位(非晶相)之間有100x以上的動態(tài)范圍(見圖4(b))。用MOCVD GST325制作的器件中的復位電流是0.6mA，比用PVD GST225制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(fā)現(xiàn)有C和N摻雜的MOCVD GST合金動態(tài)導通電阻較大，在編程過程中就產生更為有效的歐姆發(fā)熱，有助于二種MOCVD薄膜中所見的較低Ireset。

　　器件速度和10年數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保持溫度。MOCVD GST淀積工藝中的415 GST合金顯示出比GST225和GST325優(yōu)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。由于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，在采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(shù)據(jù)保持溫度為118℃(圖6(b))，比目前用于商用產品與廣泛用于研發(fā)活動的GST 225合金高近20℃。較高的數(shù)據(jù)保持溫度提高了器件可靠性，并能使GST在嵌入存儲器中用于較高溫度環(huán)境下的器件。SiO2納米晶摻雜的GST 415合金實際上能達到高于200℃的10年數(shù)據(jù)保持溫度。

　　循環(huán)壽命

　　相變存儲器的重要特性之一是其循環(huán)壽命比基于電荷的非易失存儲器(即NOR或NAND閃存)長1000x，由于電流誘發(fā)的漏電和其他蛻變機理，后者約在循環(huán)1x104至1x106次后失效。高循環(huán)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(huán)至少1x109。 已有循環(huán)壽命達1x1013的個別探索型器件顯示出置位能量減少。由于其非易失性質，在替代DRAM時不需要數(shù)據(jù)更新，這就大大地減少了數(shù)據(jù)中心以至于個人計算機內的能耗。隨著用PCM存儲替代DRAM的軟件結構變化，研究預測，循環(huán)壽命1×1010對于替代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(huán)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工藝能填充用于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(xiàn)15nm結構的填充。第3-7行是深寬比小于1:1制作的器件基本資料和電學特性。該工藝原理上說明通過現(xiàn)場摻雜C和N可調整并提高性能，依據(jù)GST 325合金復位電流減少2x，這優(yōu)于PVD GST?？色@得品質優(yōu)秀的GST 415合金用于高速器件?；贛OCVD GST的PCM可循環(huán)1×1010次以上，并在100℃以上高溫下工作。