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