第5期 微细加工技术 N.5 年10月 MICROF ABRICATION TECHNOLOGY Oct.,2008 文章编号:1003-8213(2008)05-0005-04 利用压印技术制备大面积相变材料阵列 刘彦伯2,钮晓鸣,宋志棠2,闵国全1,万永中1,张静,周伟民2,李小丽1,张挺2,张剑平1 (1.上海市纳米科技与产业发展促进中心纳米加工技术实验室,上海200237 2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米技术研究室,上海200050) 摘要:采用高效、低成本的紫外压印技术(UV-IL)在2in.Si/SiO2基Ti/TiN/Si2Sb2Te(SST)多层膜表面制备了密 度为3.8M/mn2的 AMONIL点阵结构,并通过反应离子刻蚀得到相变材料SST阵列;电阻与脉冲宽度特性测得 SST基 PCRAM存储单元ST/ RESET电阻值变化约30倍,IV特性表明,阈值电压为1.18V。此外,时间分辨 ⅹRD原位加热情况下SST薄膜结构变化说明,SST材料的相变发生在200℃-300℃之间。 关键词:UV-IL;SsT阵列; PCRAM;存储单元 中图分类号:TN305 文献标识码:A 体系和 PCRAM开发提供实验依据。 1引言 2实验 围绕低压、低功耗、高速和高密度存储器件商业化进程, UvIL制作相变材料SsT阵列工艺流程如图1所示。 相变存储器( phase change random access memory, PCRAM)必首先在两块覆盖SO(经热氧化法生成)的硅片表面用溅射 须减小相变区域,提高集成密度,而相变材料(PCM)高密度法分别沉积T,TN和SST,厚度分别是100mm,40mm和 阵列一致性制备是一个核心问题。当器件结构进入纳米尺度150 nm,SST薄膜用Si,$b和Te单靶溅射,然后在其中一块 后采用电子束曝光聚焦离子束和光学曝光等常规微细加工上再沉积100m厚的W作UV用(如图1a)。为防止脱 技术的开发成本急剧增加,尤其是新材料和新结构为稳定性模过程中模版和压印胶粘连,压印前用碳氟化合物对石英模 能要优化参数,致使开发成本更高所以新材料筛选和新结构版表面进行气相法处理45min后150℃下退火1h,在模版 研究正面临高成本和低效率的困境。而紫外压印(UV结构表面形成一层类似Teon性质的自组装单分子膜,以减 imprint lithography,vL)技术可以廉价地在大面积基片上小表面能、降低其与压印胶之间的粘附力,处理过程是在氮 重复、大批量的制备各种图形结构,具有精度高、效率高、成 环境中进行的。接着在样品表面旋涂一层粘合剂和380mm 低、尺寸一致性易于控制的综合优势-5,正好满足新材料筛紫外压印胶 AMONIL MMS4(AMO,CmbH,德国),如图tb, 选和新结构加工研究需要,这将大大加速新相变材料和新存涂覆粘合剂和压印胶后的样品分别置于电热板上100℃热烘 储结构的开发进程。目前这项技术的最高水平已达5mm。1min最后,用2in.石英模版在Ev620( EV Group,奥地 Le等人研究了UVL制作C2sb2Tes网架结构2,Ymg利)上完成紫外压印工艺,压印力和曝光时间分别为70kP KY等人研究了UVL制作Ce2Sb2T点阵结构6。而在和300如图1c和1d。压印后,用反应离子刻蚀(RE)优化 新材料探索方面, Zhang T等人8的研究表明,Si2Sb2Te工艺首先去除残留胶,然后用不同工艺依次刻蚀W,ST和 (SsT)比Ge2Sb2Tes具有更好的数据保持力和稳定性、更宽的TN层,如图1e和1f所示,实验在MS350(RoTH&RAU, 禁带宽度和更低的阈值电流; Zhang Y等人报道,Si掺杂德国)上进行。 Sh2Te3薄膜比Ge2Sb2Tes薄膜具有更低的融化温度和更高的 加热过程中ST的结构变化规律和阵列单元特征尺寸 晶态电阻。这些成果反映出SSbe材料体系在高密度存储以及 PCRAM存储单元的电学特性分别通过XRD(X'Pert 领域的潜能优势。因此,本文利用UV-IL制备大面积新相变 PRO MPD, Panalytical,荷兰)和SEM(S4800, Hitachi,日本) 材料SsT阵列,构筑 PCRAM存储单元,为加速新相变材料以及脉冲信号发生器( Agilent81104A)表征。 收稿日期:2008-07-22;修订日期:2008-08-20 基金项目:国家重大科学研究计划资助项目(200℃CB935400);上海市科学技术委员会科研发展计划资助项目(0652nm052; 0752mmO13;0752m014);上海市博士后重点科学基金资助项目(07R214204);中国博士后科学基金资助项目(20070420105) 作者简介:刘彦伯(1968-),男,陕西府谷人,副教授,博士,从事微纳加工技术及其在微电子器件中的应用研究 通讯作者
第 5期 2008年 10月 微细加工技术 M ICR0FABRICATION TECHNOLOGY No．5 Oct．，2008 文章 编号 ：1003．8213(2008)05．0005—04 利用压 印技术制备大面积相变材料阵列 刘彦伯 ，钮晓鸣 ，宋志棠 ，闵国全 ，万永 中 ，张 静 ，周伟民 一，李小丽 ，张 挺 ，张剑平 (1．上海 市纳米科 技与产业发展促进 中心 纳米加工技术实验室 ，上海 200237； 2．中国科学 院上海微 系统与信息技术研究所 纳米技术研究室 ，上海 200050) 摘要：采用高效、低成本的紫外压印技术(uv—IL)在 2in．Si／SiO2基 Ti／TiN／Si2Sb2Te5(SST)多层膜表面制备 了密 度为 3．8M／In 的 AMONIL点阵结构 ，并通过反 应 离子刻 蚀得 到相 变材料 SST阵列 ；电阻与脉 冲 宽度特 性测得 SST基 PCRAM存储单元 SET／RESET电阻值 变化约 30倍，I—v特性表明，阈值 电压为 1．18v。此外，时间分辨 XRD原位加热情况下 SST薄膜结构变化说明，SST材料的相变发生在 200℃～300℃之间。 关 键 词：UV—IL；SST阵列 ；PCRAM；存储单元 中图分类号 ：TN305 文献标识码 ：A 1 引言 围绕低压、低功耗、高速和高密度存储器件商业化进程 ， 相变存储器 (Dhasechang。random accessmemory，PCRAM)必 须减小相变区域 ，提高 集成 密度 ，而相 变材 料 (PCM)高密 度 阵列一致性制备是一个核心 问题 。当器件结构进入纳米尺 度 后 ，采用 电子束 曝光 、聚焦离子束 和光学曝光等常规微细加 工 技术的开发成本急剧增 加 ，尤其 是新材 料和新 结构 为稳定性 能要优化参数 ，致使 开发成本更高 ，所以新材料筛选和新结 构 研 究 正 面 临 高 成 本 和 低 效 率 的 困境 。 而 紫 外 压 印 (uv imprintlithographv，UV—IL)技术 可 以廉价地 在大 面积基 片上 重复、大批量的制备各种图形结构，具有精度高、效率高、成本 低 、尺寸一致性易于控制的综合优势l】-5J，正好满足新材料筛 选 和新结构加工研究 需要 ，这将 大 大加速新 相变 材料 和新存 储结构 的开发 进程 。 目前 这 项技 术 的最高 水平 已达 5nm。 LeeH等人研究了 uv—IL制作 Ge~Sb2Te网架结构l ，Yang K—Y等 人研 究 了 uV—IL制作 Ge2Sb2Te5点 阵结构 _6J。而在 新材 料探 索 方 面 ，ZhangT等人 I7 J的研 究 表 明 ，Si2Sb2Te5 (SST)比Ge，Sb2Te5具有更好的数据保持力和稳定性 、更宽的 禁带宽度和 更低 的 阈值 电流 ；ZhangY等 人_9报 道 ，si掺 杂 Sb2Te3薄膜 比 Ge2Sb2Te 薄膜具有更低 的融化温 度和更 高的 晶态电阻。这些成果反映出 SiSbTe材料体系在高密度存储 领域的潜能优势。因此，本文利用 uv—IL制备大面积新相变 材料 SST阵列，构筑 PCRAM存储单元，为加速新相变材料 体系和 PCRAM开发提供实验依据。 2 实验 UV—IL制作相 变 材料 SST阵 列 工艺 流 程 如 图 1所 示 。 首先在两块覆 盖 SiO，(经 热氧 化法 生 成 )的硅片 表面用 溅 射 法分别沉 积 Ti，TiN 和 SST，厚度 分 别 是 100nm，40nm 和 150nm，SST薄膜用 si，sb和 Te单靶溅 射 ，然后 在其 中一块 上再沉积 100nm厚 的 w 作 uv—IL用 (如 图 1a)。为 防止脱 模过程 中模版 和压 印胶粘 连 ，压 印前用 碳氟化 合物对 石英模 版表面进行气 相法处理 45rain后 150℃下退 火 1h，在模版 结构 表面形成一层类似 Teflon性质 的 自组 装单分 子膜 ，以减 小表面能 、降低其 与压印胶之 间的粘附力 ，处理过程是在氮气 环境 中进行的 。接着 在样 品表 面旋 涂一层 粘合 剂和 380nm 紫外压印胶 AMONILMMS4(AMO，GmbH，德国)，如图 1b， 涂覆粘合剂和压 印胶后 的样 品分 别置于电热板上 100℃热烘 1min。最后 ，用 2in．石 英 模 版 在 EVG620(EV Group，奥 地 利 )上完成紫外 压 印工艺 ，压 印力 和 曝光 时 间分别 为 70kPa 和 300S，如图 1c和 1d。压印后 ，用反应离 子刻蚀 (RIE)优 化 工艺首先 去除残 留胶 ，然后 用 不 同工艺 依次 刻蚀 W ，SST和 TiN层 ，如 图 1e和 1f所示 ，实 验在 MS一350(ROTH & RAU， 德 国)上进行 。 加热过程 中 SST的结 构变 化规 律 和阵 列单 元特 征尺 寸 以及 PCRAM 存 储 单元 的 电学 特 性分 别 通 过 XRD(X’Pert PROMPD，PanMytical，荷 兰 )和 SEM(S-4800，Hitachi，日本 ) 以及脉 冲信号 发生器(Agilent81104A)表 征。 收稿 日期 ：2008—07—22；修订 日期 ：2008．08—20 基金项目：国家重大科学研究计划资助项 目(2007CB935400)；上海市科学技术委员会科研发展计划资助项 目(0652nm052； 0752nmO13；0752nm014)；上海市博士后重点科学基金资助项目(07R214204)；中国博士后科学基金资助项 目(20070420105) 作者简介：刘彦伯(1968一)，男 ，陕西府谷人 ，副教授，博士，从事微纳加工技术及其在微电子器件中的应用研究。 *通讯作者
微细加工技术 2008年 的黏附性直接影响UV-1L加工精度和后续工艺界面质量,必 须严格控制。实验用粘合剂层预处理样片表面的方法来增加 a样晶 光刻胶 亲水性,同时筛选流动性以及刻蚀选择性好的紫外压印胶 ↓4↓紫外光J!J ( AMONIL)来提高涂敷质量和加工性能。为避免粘合剂和压 印胶涂层中残留气体影响压印效果,采用热烘的方法将涂覆 后的样片分置于电热板上热烘,以促使溶剂充分挥发 由于压印过程中模版结构与压印胶深度接触、挤压成型,致 e UV-Il 非等离子体非 d脱農 使模版与压印胶分离脱模)时黏附力很大,极易发生粘连,因此 压印前降低精密石英模版的表面能,以减小黏附力非常重要。 采用气相法处理后的孔阵列石英模版(见图3)压印脱模 ←去除残留层 时模版与压印胶完全分离,且无剥离脱胶现象,获得了结构清 图1UVLL制作PCM阵列流程示意图 晰完整、单元尺寸均匀、边缘整洁平滑、残留层均匀的压印胶 复型阵列,如图4所示,它是与模版凹凸对应的点阵列。结果 3结果与讨论 表明,气相法处理后形成的自组装单分子膜显著降低了石英 模版表面能;预处理工艺有效提高了光刻胶成膜均匀性及膜与 3.1 PCM SST的相变性能 基底的黏附性;烘烤工艺解决了复型结构表面残留气孔问题 通过XRD检测 PCM SST的相变过程和结构变化规律 压印胶残留是压印光刻与传统光学光刻的一个显著区 考证材料相变特性,图2的材料结构变化结果说明,在原位 别,能否完全去除残留胶对保证后续器件工艺和电学性能稳 XRD加热过程中,非晶的SsT材料在200℃以下没有太大改定尤为重要,因此,有效去除压印胶残留层是压印加工的一个 变,随着温度的上升,材料出现明显的向多晶结构变化的趋关键问题。实验用含O2的混合等离子体完全去除了 势,到了300℃时,XRD显示,材料中逐渐出现多晶的品粒, AMONIL残留层;用含CF4的混合气体与功率的优化组合保 说明材料在此时已经开始结晶,并且随着温度的升商,结品状证了后续刻蚀转移精度,最终在TTN电极层上获得了单 况继续改善。结果表明,SST材料的相变发生在200℃-元结构均匀完整的S点阵如图5所示。 300℃之间。 由于蚀刻过程中的薄膜损伤会严重影响器件性能及单元 致性,因此蚀刻转移对薄膜低损伤要求很高,通过优化刻蚀 工艺,既保证了图形转移精度,又避免了薄膜损伤。图6a和 6b分别是O2流量和射频功率对 AMONIL、CF4流量对SsT 和 AMONIL蚀刻速率的影响。 根据AFM(图2)和SEM(图3和图4)观察,模版 A MONIL和ST的阵列单元特征尺寸均值(25个采样点)分 别为10.2pm(S)、96m(R)和94pm(E),阵列密度 38M/lm2并且,UV复型精度J(=(1-IR-S/S) 100%)为94%,误差源于模版处理和压印胶变形的影响;刻 扫描范围20(° 蚀转移精度J(J=(1-1E-R/R)×100%)为97%,误差 图2 PCM SST相变特性 源于刻蚀因子和高温形变等因素影响。这表明在考虑仪器和 3.2阵列加工 操作等误差因素的最不利影响情况下,SST阵列单元的加工 因为压印胶膜厚、成分均匀性和抗刻蚀性以及膜与基底度(J=J×J)超过92%。若考虑误差叠加性则精度会更 (AFM) 照片 (SEM)) 图3模版阵列照片和AFM 图4 AMONIL阵列照片和SEM 图5SsT阵列SEM
6 微 细 加 工 技 术 2008年 曼菡 豳翌鲤强 蕊罂圈亲 | |¨¨ TiN 熏零 tl脱 黩 去除 残 留 层 l刻 蚀 图 1 uv—IL制作 PCM阵列流程示 意图 阵列 堕元 3 结果与讨论 3．1 PCM SST的相变性能 通过 XRD检测 PCM SST的相 变过程 和结构变化规 律 ， 考证材料相变特性 ，图 2的材料结构变化结果说明 ，在原位 的 XRD加热过程 中，非 品的 SST材料在 200℃以下没有太大改 变 ，随着温度 的 }升 ，材料 出现 明显 的 向多晶结构 变化 的趋 势 ，剑 r300℃时 ，XRD显示 ，材料 【f1逐渐 出现多品 的品粒 ， 说 明材料在此时t2经开始结晶 ，并且 随着温度 的升高 ，结 晶状 况继续 改善 。结 果 表 明 ，SST材 料 的相 变 发生 在 200oC～ 300oC之 间 。 号 、 骥 ∞ ￡ l() 30 5f) 扫 描 范 ~Ite／I。) 图 2 PCM SST十甘变特性 3．2 阵列加工 因为 印胶 膜厚 、成分均匀性和抗刻蚀性 以及膜 与基底 的黏 附性直接影响 uv IL加工精度 和后 续 ：艺界面质量 ，必 须严格控制 。实验用粘合剂层 预处理样片表面 的方法来增 加 亲水性 ，同时 筛选 流 动性 以及 刻 蚀选 择性 好 的 紫外压 印 胶 (AMONIL)来提高涂敷质鼍 和加工性能 。为避免粘合 剂和压 印胶涂层 中残 留气体影 响压 印效果 ，采用热 烘的方法将涂 覆 后的样片分置于 电热板上热烘 ，以促使溶剂充分挥发。 由于压印过程中模版结构与压印胶深度接触 、挤压成型，致 使模版与压印胶分离(脱模)时黏附力很大 ，极易发生粘连 ，因此 压印前降低精 密石英模版 的表而能 ，以减小黏 附力非常重要 。 采用气相 法处理后 的孔 阵列石英模 版(见 图 3)压印脱模 时模 版与压印胶完全分离 ，且无剥离脱胶现象 ，获得 了结构清 晰完 整 、单元尺寸均匀 、边缘整洁平 滑 、残 留层均匀 的压 印胶 复型阵列 ，如图 4所示 ，它是与模 版凹凸对应 的点阵列。结果 表明 ，气相法处理后形成 的 自组装单分 子膜 著 降低了 英 模版表面能 ；预处理工艺有效提高 r光刻胶成膜均匀性及膜与 基底 的黏附性 ；烘烤工艺解决 了复型结构表面残 留气孔问题 。 压印胶残 留是压 印光 刻与传 统光 学光 刻的一 个显 著 区 别 ，能否完全去除残 留胶对保 证后续器 件工艺 和电学性能稳 定尤为重要 ，因此 ，有效去除压 印胶残 留层是压 印加工 的一个 关键 问 题 。实 验 用 含 O，的 混 合 等 离 子 体 完 全 l去 除 了 AMONIL残 留层 ；用 含 CF 的混合气体与功率 的优化组合保 证 了后续刻蚀 转移精 度 ，最终在 Ti／TiN电极层 上获得 了单 元结构均匀 、完整 的 SST点阵如图 5所示 。 由于蚀刻过程巾的薄膜损伤会严重影响器件性 能及单元 一 致性 ，因此蚀刻转移对薄膜低损伤要求很 高，通过 优化刻蚀 T艺 ，既保证 了图形转移 精度 ，又避 免 薄膜 损伤 。图 6a和 6b分别是 O2流量 和射 频功率 对 AMONIL、CF 流量对 SST 和 AMONIL蚀刻速率的影响 。 根 据 AFM(图 2)和 SEM(图 3和 图 4)观 察 ，模 版 、 AMONIL和 SST的阵列单元特征 尺寸均值 (25个采样 点)分 别为 10．2p-m(S)、9．6fm(R)和 9．4,urn(E)，阵 列 密 度 3．8M／In2。并 且，uV—IL复型精度 (Jn=(1一lR—SI／s)X 100％)为 94％，误差源 于模版 处理 和压 印胶变形 的影 响 ；刻 蚀转移精度 (．，=(1一lE—Rl／R)X100％)为 97％，误差 源于刻蚀 因子 和高温形变等闪素影响。这表 明在考虑仪器和 操作 等误差 因素 的最不 利影响情况 下 ，SST阵列 单元 的加 工 精度 (J=J XJ)超 过92％。若考虑 误差 叠加性则精 度会 更 网 3 模版 阵列照片和 AFM 图 4 AMONIL阵列照片和 SEM 图 5 SST阵列 SEM
第5期 刘彦伯等:利用压印技术制备大面积相变材料阵列 F功率150W 2 RF功率100W 脉冲探针 图7I-V测试(插图是ST存储单元结构示意) AMONII 50 数,因为存储器的编程速率、编程功耗和寿命之间密切相关。 同理,对存储单元施加高度固定、宽度逐渐增加的电压脉 冲,并即时读取相应电阻,得到电阻与擦脉宽R-Tsrr特性曲 线。在6V的电压脉冲作用下,测试结果如图9所示,由R- TsEr曲线可见,当脉冲宽度超过155ns时,曲线出现了垂直突 变,前后分为两段。这是因为脉冲高度一定,在脉宽较小 候,由于加热时间太短,无法将上、下电极之间PCM加热到结 四氟化碳流量/(m1.,min") 晶温度以上,随着脉宽增加,PCM区域积聚热能逐渐增加,当 bSsT和光刻胶 脉宽达到一定程度、积聚的能量足以加热PCM到结晶温度 图6刻蚀工艺特性曲线 之上熔化温度之下,并且脉冲持续时间足以保证晶核生成时, PCM实现了非晶到多晶的转化,存储单元就从高阻态突变为 高些。结果显示,压印复型对加工精度影响较大,因此继续优低阻态,完成了SET过程。表现在RTsr曲线上就出现了 化压印工艺有望进一步提高加工质量。 直分段现象,而曲线中的突变点155ns就是存储单元从高阻 3.3 PCRAM存储单元 到低阻状态转变的最佳脉冲宽度,这是决定编程速率的主要 用ST阵列构筑 PCRAM存储单元,并通过电学性能表参数,因为存储单元的擦(SET)写( RESET)特性是低压低功 征研究存储特性,图7中的插图是100pm2的s存储单元耗 PCRAM设计的重要依据。 结构示意图。为了检验各薄膜层成膜工艺及蚀刻质量,首先 单元SsT重新非晶化后,通过施加幅度逐渐增加的 用数字信号进行了LV测试图7的结果表明,存储单元的电压信号来测量存储单元对应的电流进而分析其阈值电流 IV呈良好线性关系,说明各薄膜层之间是良好的欧姆接触,(l)和阈值电压(V)。由于电压逐渐增加使得通过存储单 证明刻蚀转移过程中去胶均匀完全,保证了良好的薄膜接触元转化的热能相应增加,当聚集的热能使得ST单元温度升 质量。 高到结晶温度之上熔化温度之下时, PCM SST实现了从非晶 编程速率(擦写速率)是考证存储器性能优劣的一项重要到多晶的转变,引起了其电阻值的显著变化反映在LⅤ特性 指标,实验通过电阻与写脉宽(R-TRg)特性予以表征,对所曲线上则出现了不同斜率的两段曲线如图10所示。由图可 构筑的存储单元施加高度不变(10V)、宽度逐渐增加的电压见,在持续稳定的电压信号达到118V后,两电极间电流突 脉冲,并即时读取相应电阻,得到RTms特性曲线如图8所然从%;A跳跃到1.5mA,表明存储单元的m和Y分别为 示说明在施加脉冲高度不变的情况下随着脉冲宽度的增%6A和.18V。充分显示出ST在低功耗方面的潜能优势 加,上、下电极之间PCM区域积聚热能逐渐增加,当PCM区 域温度升高到熔化温度之上,并且脉冲持续时问又不足以保 I-V测试中施加的是幅值按步长增加、持续200ms的连续信 证晶核生成时,实现了PCM从多晶到非晶的转变,完成了号;而R-Ts操作中施加的是宽度逐渐增加的脉冲信号。因 RESET过程。表现在RTs曲线上就出现了垂直分段现此,V测试中电信号对S单元是一个持续的加热过程,热 象,两种状态阻值变化达到30倍,并且分别稳定在18kQ和累积效应促使其相变电压远远小于RTsr中的SET电压 600Ω左右,说明存储单元具有比较稳定的非晶和多晶电阻 4结论 值。而曲线中的突变点100ns就是存储单元从低阻到高阻 状态转变的最佳脉冲宽度,这是影响编程速率的主要参数,是 本文针对 PCRAM开发中迫切需要解决的大面积阵列制 PCRAM存储单元结构、功耗和数据保持力等设计的必要参备关键问题,利用低成本、高效率的压印技术,探索性地开展
第 5期 刘 彦伯等 ：利用压印技术制备大 面积 相变材料阵列 7 = 1 量 三1 得 慰 暴 氧气流量 ／(I111·rain) a AMONn． 四氟化碳流量 ／ I·nAI·) b SSI、和 光刻 胶 图 6 刻蚀工艺特性 曲线 高些。结果 显示 ，压 印复型对加工精度影 响较 大 ，因此继续优 化压 印工艺 有望进一步提高加工质量 。 3．3 PCRAM存储 单元 用 SST阵列构筑 PCRAM存 储单 元 ，并 通过 电学 性能表 征研究存储 特性 ，图 7中的插 图是 100 m。的 SST存储 单元 结构示意 图。为 了检 验各 薄膜层 成膜工 艺及蚀 刻质 量 ，首先 用数字信号进 行 了 I—v测 试 ，图 7的结 果 表 明 ，存 储 单元 的 I—v呈良好线性关系，说明各薄膜层之间是 良好的欧姆接触， 证 明刻蚀转 移过程中去胶均匀 、完全 ，保证 了 良好的薄膜接触 质量 。 编程速率(擦写速率)是考证存储器性能优劣的一项重要 指标 ，实验通过电阻与写脉宽 (R—TREsE)特性予 以表 征 ，对 所 构筑 的存储单元施加 高度不变 (10V)、宽度 逐渐增 加 的电压 脉冲 ，并 即时读 取相应电阻 ，得 到 R—TREsET特性 曲线如 图 8所 示 ，说 明在施 加脉 冲高 度 不变 的情 况下 ，随着 脉 冲宽度 的增 加 ，上 、下 电极之 间 PCM 区域积 聚热 能逐渐增 加 ，当 PCM 区 域温度升高到熔化温度之上，并且脉冲持续时问又不足以保 证晶核 生成 时 ，实 现 了 PCM 从 多 晶到 非 晶 的 转变 ，完 成 了 RESET过程 。表现在 R—TREET曲线 上就 出现 了垂 直 分段 现 象，两种状态阻值变化达到 30倍，并且分别稳定在 18kQ和 600n左右，说明存储单元具有比较稳定的非晶和多晶电阻 值。而曲线中的突变点 100ns就是存储单元从低阻到高阻 状态转变的最佳脉冲宽度，这是影响编程速率的主要参数，是 PCRAM存储单元结构 、功耗和数据保持力等设计的必要参 一 2 ＼ 媛 图 7 I—v测试 (插图是 SST存储单元结构示意 ) 数 ，因为存储器的编程速率 、编程功耗和寿命之间密切相关。 同理 ，对存储单元施加高度 固定 、宽度逐渐增加 的电压 脉 冲 ，并即时读取 相应 电阻 ，得 到 电阻 与擦脉 宽 R—TsET特性 曲 线 。在 6V的 电压脉 冲作 用下 ，测试 结果 如图 9所 示 ，由 R TsET曲线 可见 ，当脉 冲宽度超过 155IIS时 ，曲线 出现 了垂 直突 变 ，前后分为两段 。这是 因为脉 冲高度 一定 ，在脉宽较小 的时 候 ，由于加热时 间太短 ，无法将上 、下 电极 之间 PCM加热 到结 晶温度 以上 ，随着脉宽增加 ，PCM区域积 聚热能逐渐增 加 ，当 脉宽达到一定 程度 、积聚 的能 量足 以加 热 PCM 到 结 晶温度 之上熔化温度之下 ，并且脉 冲持续 时间足以保证 晶核 生成 时 ， PCM实现 了非 晶到多 晶的转化 ，存储单元 就从 高阻态 突变为 低阻态 ，完成了 SET过程。表现在 R—T r曲线 上就 出现 了垂 直分 段现象 ，而曲线中的突变点 155ns就 是存储单 元从 高阻 到低 阻状 态转变的最佳 脉冲 宽度 ，这是决 定编程 速率 的主要 参数 ，因为存储单元 的擦 (SET)写 (RESET)特性是 低压低 功 耗 PCRAM设计 的重要 依据 。 将该 单元 SST重新非 晶化后 ，通过施加 幅度逐 渐增加 的 电压信 号来 测量存储单 元对应 的 电流 ，进 而分析其 阈值 电流 (，h)和阈值电压(Vh)。由于电压逐渐增加使得通过存储单 元转化的热能相应增加 ，当聚集的热能使得 SST单元温度升 高到结 晶温度之上熔化温度之下 时，PCM SST实现 了从非 晶 到多晶的转变，引起了其电阻值的显著变化，反映在 I—V特性 曲线上则 出现 了不同斜率的两段 曲线 ，如图 10所示 。由图可 见 ，在持续稳 定 的电压 信号达 到 1．18V后 ，两 电极 间 电流 突 然从 96 A跳跃到 1．5mA，表明存储单元的 ，h和 h分别为 96 A和 1．18v。充分显示 出 SST在低功耗方面 的潜能优势 。 这里 SET电压远远大 于 I—v测 试 中的 其原 因是 因 I—v测试 中施加的是幅值按 步长增加 、持 续 200MS的连续信 号 ；而 R—TsET操作 中施加 的是 宽度逐 渐增加 的脉 冲信号 。因 此，I．v测试中电信号对 SST单元是一个持续的加热过程，热 累积效应促使其相变电压远远小于 R—TsT中的 SET电压。 4 结论 本文针对 PCRAM 开发 中迫切需要解决 的大面积 阵列制 备关键问题，利用低成本、高效率的压印技术 ，探索性地开展
微细加工技术 2008年 L.0 1.18V,0.096mA 0.00 1.00 SET脉冲宽度/ns 图8R- RESET特性曲线(10V) 图9RTsE特性曲线(6V) 图10LV特性 了新型相变材料体系构建新结构存储单元阵列的关键技术研41IoT, Okazaki S Pushing the limits of lithography [J] 究,在2in.Si基TN/Ti电极层上制备了3.8M/lm2PCM Science,2000,406:1027-1031 SST阵列,并检验了 SST-PCRAM存储单元的电阻记忆功能,[5]LeJ, Choi k b, Kim g h,etl. The UV-nanoimprint 为SST- PCRAM设计开发提供了实验依据。结果表明,这是 lithography equipment with multi-head imprinting unit for 加快新材料新器件结构开发和性能研究进程的一条有效途 sub-50 nm half-pitch patterns[J].Microelectronic 径。而且,继续优化压印和刻蚀工艺参数将进一步提高阵列 Engineering,2007,(84):963-966 密度及一致性、稳定性,改变结构和测试方法将进一步加速纳[6] Yang KY, Hong S h, Kim DK,etal. Patterning of Ge2Sb2les 米尺度新型材料、结构器件研发进程 phase change material using UV nano-imprint lithography [J]. Microelectronic Engineering,2007, 84: 21-24 参考文献 [7] Zhang T, Song Z T, Rao F, et al. High speed chalco-genide [1] Chou S Y, Kelmel C. Ultrafast and direct imprint of nano- random access memory based on Si 2 Sb Tes[J]. Jpn J Appl structures in silicon J]. Nature, 2002, 417(20):835 Phys,2007,46(11):L247-249 [8] Zhang T, Cheng Y, Song Z T, et al. Comparison of the [2] Lee H, Hong S H, Yang K Y, et al. Fabrication of crystallization of Ge-Sb-Te and Si-Sh-Te in a constant- Sb2 Tes based PRAM device at 60 nm scale by usin anealing process[J].Scripta Materialia UV nanoimprint lithography[ J]. Microelectronic Engin 2008,58:977-980 ering,2007,84:573-576 [9 Zhang Y, Feng J, Zhang Z F, et al. Characteristics of Si- [3] Chou SY, Krauss P R, Renstrom P J Imprint lithog-raphy with doped Sb2 Te, thin films for phase-change random acces 25-nanometer resolution[ JJ. Science, 1996, 272: 85-87 memory[J]. Appl Surf Sci,2008,10: 1016-1020 Fabrication of Phase Change Materials Large Area Arra LIU Yan-bo,, NIU Xiao-ming, SONG Zhi-tang, MIN Guo-quan, WAN Yong-hong ZHANG Jing, ZHOU Wei-min. 2, LI Xiao-li, ZHANG Ting2, ZHANG (1. Laboratory of Nano-technology, Shanghai Nanotechnology Promotion Center, Shanghai 200237,China 2. Laboratory of Na Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China Abstract: The Si2 Sbz Tes( SST)array was fabricated by UV-imprint lithography(UV-IL) instead of optical lithography and PCRAM memory cell with 18M/Inch was constructed, the array is the size of 2 inches. Memory switching from high resistance state to low resistance state has been achieved, with a resistance ratio of 30 has been achieved. In typical I-V curve, display threshold voltage to be 1. 18 V Structural transformation of SST film in heating process was in situ studied by means of time-resolved X-ray diffraction.This shows that the SST material phase change occurred in the range of 200 C-300C Key words: UV-IL: SST array: PCRA M; memory cell
8 微 细 加 工 技 术 2008正 a tC一 ＼ 盟 50 l5O RESEq、脉冲宽度／IIS G b一 ＼ 踺 锄 SE1、脉冲宽度／lS 图 8 R—TREsET特性 曲线 (10V) 图 9 R—TsET特性 盐线 (6V) 了新型相变材料体系构建新结构存储单元阵列的关键技术研 究 ，在 2in．Si基 TiN／Ti电极 层 上 制 备 了 3．8M／In PCM SST阵列 ，并检验 了 SST—PCRAM存储单元 的电阻记忆功能 ， 为 SST—PCRAM设计开发提供了实验依据。结果表明，这是 加快新材料新器 件结构 开发 和性 能研究 进程 的一条 有效 途 径。而且 ，继续优化压 印和刻蚀工 艺参数将进 一步提 高阵列 密度及一致性 、稳定性 ，改变结构 和测试方法将进一步加速纳 米尺度新 型材料 、结构器件研发进程 。 参考文献 ： [1J ChouSY，KelmelC．Uhrafastanddirectimprintofnano— structuresinsilicon[J]．Nature，2002，417(20)：835— 838． 12j LeeH ，HongSH ，YangK Y ，eta1 ．Fabricationof Ge2Sb2Te5based PRAM device at60 nm scale by using UV nanoimprintlithographylJj．MieroelectronicEngine— ering，2007，84：573—576． [3j ChouSY，KraussPR，RenstromPJ．hnprintlithographywith 25一nanometerresolution[J]．Science，1996，272：85—87． [4] [5] [6] [7] [8] [9] 电压 ／V 图 10 I．V特性 ItoT，OkazakiS．Pushingthelimitsoflithography[J]． Science，2000，406：1027—1031． LeeJJ，ChoiK B，Kim G H，eta1．TheUV—nanoimprint lithographyequipmentwithmulti—headimprintingunitfor sub-50 nm half-pitch patterns [J] ．Microelectronic Engineering，2007，(84)：963—966． YangK Y，HongSH，Kim D K，eta1．PatterningofC,~2Sb2Te5 phase change materialusing UV nano-imprint lithography lJj．MicroelectronicEngineering，2007，84：21—24． Zhang T，SongZ T，RaoF，eta1．Highspeedchalco—genide random accessmemorybasedonSi2Sb2Te5[J]．JpnJAppl Phys，2007，46(11)：L247—249． Zhang T，Cheng Y，Song Z T，eta1．Comparison ofthe crystallization of Ge—Sb—Te and Si—Sb—Te in a constant— temperature annealing processlJJ ．Scripta Materialia， 2008，58：977—980． Zhang Y，Feng J，Zhang Z F，eta1 ．CharacteristicsofSi— doped Sb2Te3 thin films for phase—change random access memory[JJ．ApplSurfSci，2008，l0：1016—1020． Fabrication ofPhaseChangeM aterialsLargeArea ArraybyUsingUV Im printLithography LIU Yan—bo’，NIU Xiao—ming ，SONG Zhi—tang ，MIN Guo—quan ，W AN Yong—zhong ， ZHANG Jing ，ZHOU Wei—min一，LIXiao-l-i-，ZHANG Ting2,ZHANG Jian．ping (1．LaboratoryofNano—technology，ShanghaiNanotechnologyPromotionCenter，Shanghai200237，China 2．LaboratoryofNano—technology，ShanghaiInstituteofMicrosystem andInformation Technology，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China) Abstract：TheSi2Sb2Te5(SST)arraywasfabricatedbyUV—imprintlithography(UV—IL)insteadofopticallithographyandPCRAM memorycellwith 18M／Inch wasconstructed，thearray isthe sizeof2 inches．Memorv switchingfrom high resistancestate to1ow resistancestatehasbeenachieved，witharesistanceratioof30 hasbeen achieved．IntypicalI-V curve，displav thresh0ldv0Itage to be 1．18 V．StructuraltransformationofSST film inheatingprocesswasin situ studied bv meansoftime-resolved X—ravdiffraction． This showsthattheSST material phasechangeoccurredin therangeof200 oc 300 ℃ ． Keywords：UV —IL；SST arrav；PCRAM ；memorvcel