李　瑩，詹奕鵬，王　蕾

（中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海201203）

基于Ge2Sb2Te5存儲介質(zhì)的相變存儲器疲勞特性分析

李瑩，詹奕鵬，王蕾

（中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，上海201203）

相變存儲器由于操作電壓低，讀取速度快，制造工藝簡單且與成熟CMOS工藝兼容，被認(rèn)為最有可能替代Flash成為主流非易失性存儲器。相變存儲介質(zhì)在存儲中體積變化是影響器件可靠性的一個(gè)重要因素。研究了相變存儲器在疲勞測試中的電性特征，利用高分辨率透射電子掃描電鏡及傅里葉轉(zhuǎn)換分析方法，研究相變存儲器疲勞測試后相變介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。若底部電極與相變介質(zhì)的接觸存在納米量級不平整，那么接觸表面將產(chǎn)生大電流密度，造成過操作，產(chǎn)生明顯的體積收縮比?？梢灶A(yù)測在多次的寫擦操作后將導(dǎo)致相變介質(zhì)形成空洞，與底部接觸電極脫附。因此，控制底部接觸電極與相變介質(zhì)接觸形貌對器件疲勞特性有著至關(guān)重要的影響。

相變存儲器；疲勞特性；Ge2Sb2Te5；晶體結(jié)構(gòu)

1　引言

相比于傳統(tǒng)存儲器利用電荷形式進(jìn)行存儲，相變存儲器（PCRAM）主要利用存儲介質(zhì)，即可逆相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)的導(dǎo)電性差異實(shí)現(xiàn)存儲，被稱為是“操縱原子排列而實(shí)現(xiàn)存儲”的新型存儲器。PCRAM不僅綜合了目前半導(dǎo)體存儲器市場上主流的DRAM、 SRAM和Flash等存儲器的優(yōu)良特性，而且還具有微縮性能優(yōu)越、非易失性、循環(huán)壽命長、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低、可與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容等諸多優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲技術(shù)的最佳解決方案之一［1］。表1列出了不同存儲器的性能比較。因此世界主要半導(dǎo)體存儲器生產(chǎn)企業(yè)都將PCRAM作為40 nm節(jié)點(diǎn)之后替代Flash和DRAM的技術(shù)。

存儲介質(zhì)在相變過程中體積的變化是影響到器件可靠性的一個(gè)重要因素，而常用的Ge2Sb2Te5（GST）從非晶結(jié)構(gòu)（RESET）變化到多晶面心立方結(jié)構(gòu)和六方密排結(jié)構(gòu)（SET）的密度改變約為6.8%和8.8%［3］，較大的密度變化意味著較大的相變體積變化，較大的相變體積變化可能會導(dǎo)致多次器件操作后相變材料與電極的不可靠接觸，是器件操作可靠性的隱患。要使存儲器件達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用要求，器件必須擁有良好的可擦寫次數(shù)（疲勞特性或者壽命）。為此，對相變存儲器的疲勞特性進(jìn)行測試、對疲勞的現(xiàn)象進(jìn)行研究，對于提升相變存儲器的疲勞特性有著重要意義。

表1　DRAM、Flash和PCRAM性能比較［2］

本文基于130 nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝平臺制備相變存儲器，該器件具有良好的電學(xué)性能和疲勞特性：RESET電流和脈沖寬度為2 mA、100 ns，疲勞特性達(dá)到108次。著重分析相變存儲器在疲勞操作過程中出現(xiàn)的變化，從材料微觀角度探討其產(chǎn)生變化的機(jī)理。

2　疲勞操作特性分析

相變存儲器存儲單元部分主要是由加熱電極、相變材料層和上電極組成的三明治結(jié)構(gòu)。本文基于130nm的標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，采用晶體管驅(qū)動的選通開關(guān)，以GST薄膜材料為相變存儲介質(zhì)制備相變存儲器。

圖1　相變存儲單元在10次到108次寫擦操作的疲勞測試特性圖

2.1疲勞操作電性特征

對采用上述工藝制備的相變存儲器進(jìn)行疲勞測試試驗(yàn)，疲勞特性曲線表明器件具有良好的寫擦疲勞特性，可達(dá)108次。從圖1疲勞特性曲線可以看出，8個(gè)測試單元在寫擦次數(shù)從10次到108次表現(xiàn)為隨著疲勞操作次數(shù)的增加、SET阻值不斷下降的現(xiàn)象，單元7從開始的14.43 kΩ，到105次操作后降至7.16 kΩ，之后在 106次和107次操作后，SET阻值分別降至3.12 kΩ和1.74 kΩ。而在這一過程中，它的非晶態(tài)阻值在114～129 kΩ之間變化。

圖2　相變存儲單元疲勞測試的Log（R）在RESET和SET狀態(tài)的盒裝分布圖

首先對疲勞測試中非晶態(tài)阻值和多晶態(tài)阻值的數(shù)據(jù)波動性問題進(jìn)行研究。從圖2中8個(gè)器件單元疲勞測試的阻值在RESET和SET狀態(tài)的分布中可以看到兩個(gè)現(xiàn)象。一是在不同疲勞操作次數(shù)后，RESET阻值收斂，而不論疲勞操作的次數(shù)多少，SET阻值標(biāo)準(zhǔn)方差大約比RESET高出一個(gè)數(shù)量級。標(biāo)準(zhǔn)方差是衡量一個(gè)樣本波動大小的量，方差越大，樣本數(shù)據(jù)的波動就越大。對于這一現(xiàn)象解釋認(rèn)為在RESET操作中，形成的非晶通道面積、尺寸較為相近，表現(xiàn)為收斂的非晶態(tài)阻值分布。而在SET操作中，晶態(tài)通路具有多樣化，晶態(tài)阻值取決于晶態(tài)結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸的大小和晶界界面，由于不同晶態(tài)結(jié)構(gòu)的晶粒大小影響，以及同一晶體結(jié)構(gòu)的晶粒在成核生長過程中難以控制晶粒尺寸的一致性，所以對于每一次SET操作而言，得到的晶態(tài)阻值相對有著較寬的阻值分布。

另一個(gè)現(xiàn)象是，經(jīng)過RESET操作之后非晶態(tài)阻值較低的，其對應(yīng)SET操作后的多晶態(tài)阻值也較低。GST薄膜的阻值是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的GST薄膜與多晶態(tài)結(jié)構(gòu)的GST薄膜的串聯(lián)，由于非晶態(tài)的阻值基本是多晶態(tài)阻值的10倍以上，所以阻值主要是由非晶態(tài)阻值決定的。那么上述RESET操作后具有較低的阻值意味著其非晶化GST薄膜的尺寸較小，非晶態(tài)的面積減小，其RESET操作后阻值較低。在后續(xù)SET操作中，同樣功耗下SET操作要改變的非晶化區(qū)域減小，有助于晶化過程的充分完成，因而得到較低的SET阻值。2.2疲勞操作對晶體結(jié)構(gòu)的影響

利 用HighResolutionTransmissionElectron Microscopy（HRTEM）分析手段，對上述單元7在寫擦次數(shù)從10次到107次出現(xiàn)的隨疲勞次數(shù)增加SET阻值不斷下降的現(xiàn)象進(jìn)行表征，如圖3、圖4所示。

圖3　相變存儲單元疲勞測試后HRTEM照片

圖4　圖3中注明的密排六方結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)放大圖、FFT轉(zhuǎn)換衍射斑點(diǎn)圖

研究這類現(xiàn)象對于了解GST薄膜在疲勞操作中的狀態(tài)有所幫助，有助于認(rèn)識相變特性機(jī)理。單元7 的SET阻值從開始的14.43 kΩ，隨操作次數(shù)增加至107次后，降至1.74 kΩ。與此同時(shí)，RESET阻值變化率為11.6%。從圖3的TEM照片中可以看出，經(jīng)過107次寫擦操作后，在底部接觸電極的右上方出現(xiàn)一顆大晶粒，尺寸為28.57 nm，從傅里葉轉(zhuǎn)換的衍射斑點(diǎn)圖（圖4）可以看出，呈現(xiàn)多晶態(tài)結(jié)構(gòu)。通過謝樂公式的計(jì)算，如下所示：

其中，d為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度（nm），即晶面間距；K為Scherrer常數(shù)；β為實(shí)測樣品衍射峰半高寬度（進(jìn)行雙線校正和儀器因子校正），在計(jì)算過程中，轉(zhuǎn)化為弧度（rad）；θ為衍射角，轉(zhuǎn)化成弧度制（rad）；λ=0.154 056 nm，為X射線波長。

得到圖4的多晶GST薄膜晶面間距是0.210 nm，比對密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的JCPDF卡（No.892233），該晶面間距是密排六方結(jié)構(gòu)GST所特有，對應(yīng)的晶面取向?yàn)椋?10）。

在擦操作即SET操作中，GST薄膜由非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為立方相（FCC）晶態(tài)結(jié)構(gòu)，如果轉(zhuǎn)化至六方態(tài)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，則意味著操作能量越過轉(zhuǎn)化到FCC態(tài)結(jié)構(gòu)所需能量，而達(dá)到有更低阻值的HCP態(tài)［4］所需能量。另一方面，晶粒尺寸明顯增大到28.57 nm，說明在疲勞操作中存在過操作而導(dǎo)致晶粒不斷長大，在電性中表現(xiàn)為較低的阻值。這種現(xiàn)象和底部接觸電極與GST薄膜接觸的形貌有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。從圖3中可以看出，底部接觸電極沒有和GST薄膜平整的接觸，而是嵌入在GST薄膜中。當(dāng)電流流過時(shí)，底部接觸電極兩端易產(chǎn)生大的電流密度，造成在與底部接觸電極端角處的GST薄膜過操作。在寫操作即RESET操作中，過操作會使GST薄膜更加快速地到達(dá)熔融點(diǎn)，較易實(shí)現(xiàn)RESET操作，而在擦操作中，GST薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)，如果存在過操作，首先是會對多晶態(tài)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即由FCC態(tài)轉(zhuǎn)化為HCP態(tài)，使得阻值降低。其次，在由非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，GST薄膜的體積會發(fā)生收縮，約為6.8～8.8%［2］。那么過操作會導(dǎo)致GST薄膜材料在體積收縮時(shí)發(fā)生與介電材料甚至是底部接觸電極的脫附，最終導(dǎo)致相變存儲單元失效。

3　小結(jié)

本文研究了相變存儲器在疲勞測試中的電性特征，利用高分辨率透射電子掃描電鏡及傅里葉轉(zhuǎn)換分析方法研究了相變存儲器疲勞測試中相變介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。

在10次到108次寫擦疲勞測試中，SET阻值隨疲勞次數(shù)增加而不斷下降。這是由于多晶態(tài)阻值分布與SET操作后形成的多晶態(tài)通路強(qiáng)相關(guān)，多晶態(tài)阻值取決于晶態(tài)結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸的大小和晶界界面。同時(shí)，通過分析107次疲勞測試樣品的相變介質(zhì)微觀晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次寫擦操作后，與相變介質(zhì)材料接觸的底部電極若存在納米量級的不平整，將會在接觸表面產(chǎn)生大的電流密度，從而造成這些區(qū)域出現(xiàn)過操作，即過大的電流使得與底部接觸電極上表面邊緣處接觸的相變介質(zhì)從亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成密排六方結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生明顯的體積收縮比，可以預(yù)測最終將導(dǎo)致相變介質(zhì)形成空洞，與底部接觸電極脫附。因此，在相變存儲器的集成電路工藝制備中，控制底部接觸電極與相變材料接觸形貌對于器件疲勞特性有著至關(guān)重要的影響。

［1］A Schrott，H-L Lung，T Happ，and C Lam.Phase-change memory development status［C］.VLSI Technology，Systems and Applications，Hsinchu，23-25 April，2007:1-2.

［2］LAI S.Current status of the phase change memory and its future［C］.Proceedings of the Electron Devices Meeting，2003 IEDM'03 Technical Digest IEEE International，F(xiàn) 8-10Dec.2003.

［3］W K Njoroge，H W Woltgens，and M Wuttig.Density changes upon crystallization of Ge2Sb2.04Te4.74films［J］.J Vac Sci Technol A 2002（20）:230-233.

［4］Davide Mantegazza，Agostino Pirovano，and Andrea L Lacaita.Anomalous cells with low reset resistance in phase-change-memory arrays［J］.IEEE Electron Device Letters，2007（28）:865-867.

Endurance Analysis of Ge2Sb2Te5-based Phase Change Memory

LI Ying，ZHAN Yipeng，WANG Lei
（Semiconductor Manufacturing International Corp.，Shanghai 201203，China）

Phase change memory has long deemed as the most promising mainstream non-volatilememory replacing flash for its lower operation voltage，fast read speed and compatibility with standard CMOS process. The phase change materials may suffer volume shrinkage that significantly affects reliability.In the paper，the endurance and the microstructure of phase change material are studied by high-resolution transmission electron microscopy and Fast Fourier Transform method.The unevenness at the interface between bottom electrode and phase change materials may incur distinct volume shrinkage and cause detachment of phase change materials. Obviously，the contactsurface conditionisverymuchaffectingthe endurance propertyofdevices.

phase change memory；endurance property；Ge2Sb2Te5；crystal structure

TN306

A

1681-1070（2016）08-0041-03

2016-3-21

李瑩（1983—），女，河北正定人，2014年畢業(yè)于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，取得博士學(xué)位，目前在中芯國際集成電路制造（上海）有限公司研發(fā)部門工作，主要研究方向?yàn)榉菗]發(fā)存儲器的工藝集成、工藝電性驗(yàn)證及芯片失效分析等。