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(jié)構(gòu)中有非?？煽康墓残蔚矸e，這些特性包括無(wú)空洞淀積、對(duì)SiO2和上/下金屬電極的粘附性好，以及在400℃時(shí)材料性質(zhì)穩(wěn)定，能經(jīng)受隨后的器件加工步驟。也需要這樣的合金，即能有低復(fù)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(shí)間或快速置位、在置位或晶態(tài)時(shí)阻抗低及復(fù)位或非晶態(tài)時(shí)阻抗高。滿足這些要求將提供非晶相和晶相之間一個(gè)寬范圍電阻率，這是多層單元儲(chǔ)存(MLC)應(yīng)用所希望的。

　　ATMI開(kāi)發(fā)了能填充深寬比大于3:1、尺寸小于15nm結(jié)構(gòu)的MOCVD工藝(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)，見(jiàn)圖2。CVD工藝是優(yōu)選工藝，因?yàn)槠洚a(chǎn)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?yàn)榕c典型的CVD工藝比較，它設(shè)計(jì)使用能在較低溫度下加工的金屬有機(jī)前驅(qū)物。ATMI也獲得了基礎(chǔ)和先進(jìn)器件應(yīng)用所需的材料物理性質(zhì)和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，包括置位速度達(dá)12ns的DRAM的可行性。

　　本文介紹了從開(kāi)發(fā)成熟的MOCVD淀積GST材料性質(zhì)獲得的電學(xué)特性。一是用MOCVD淀積的325GST合金，與PVD GST合金比較，它減少?gòu)?fù)位電流2-3x，顯示了NOR閃存應(yīng)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(yīng)用。

　　高深寬比結(jié)構(gòu)的GST填充

　　所做的研究中，高深寬比結(jié)構(gòu)能用多種不同組分的GST適當(dāng)填充。圖1顯示了進(jìn)行的多種組分試驗(yàn)。 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(jié)構(gòu)。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(yīng)用一般需要高Te% GST合金，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)晶溫度低。因?yàn)橐话愕牡矸e薄膜是結(jié)晶體，因而不平整也不共形，這是淀積中典型前驅(qū)物需用的高淀積溫度的結(jié)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(dá)到能以平滑和共形薄膜填充15nm小溝槽結(jié)構(gòu)，Te組分～50%(圖2)。

　　在約束結(jié)構(gòu)中自然淀積的GST可能完全是非晶的，退火后能轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，分別如圖3a和3b所示。請(qǐng)注意，得到了～5nm的極細(xì)晶粒。晶粒尺寸非常小對(duì)于未來(lái)GST向小于10nm結(jié)構(gòu)縮小是很重要的。

　　在所做的工作中，GST填充的孔洞內(nèi)的組分非常一致。圖4(a)和4(b)是用EDS測(cè)量的歸一化組分，通孔中位置1到5(對(duì)應(yīng)通孔結(jié)構(gòu)的頂部到底部)Ge、Sb和Te的分布非常一致。位置6和7(對(duì)應(yīng)通孔的外部二側(cè))的組分也與位置1-5的類似，說(shuō)明在薄膜共形淀積過(guò)程中得到了極好的組分分布。測(cè)得的Sb分布變化較大，可能是由于用EDS測(cè)量Sb的不準(zhǔn)確性，因信號(hào)小而準(zhǔn)確性低。

　　器件性能

復(fù)位電流

　　圖5(a)示出了PVD和MOCVD GST合金間器件復(fù)位電流性能比較測(cè)試結(jié)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(méi)有N和C的PVD GST225制作的PCM器件復(fù)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(cè)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(fù)位阻抗大于1MΩ，表明置位(結(jié)晶相)和復(fù)位(非晶相)之間有100x以上的動(dòng)態(tài)范圍(見(jiàn)圖4(b))。用MOCVD GST325制作的器件中的復(fù)位電流是0.6mA，比用PVD GST225制作的器件的復(fù)位電流1.4mA小2x以上。復(fù)位電流減小可使更多器件平行編程，提高了對(duì)將PCM延伸到DRAM和SCM應(yīng)用至關(guān)重要的寫(xiě)入帶寬。研究工作還發(fā)現(xiàn)有C和N摻雜的MOCVD GST合金動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻較大，在編程過(guò)程中就產(chǎn)生更為有效的歐姆發(fā)熱，有助于二種MOCVD薄膜中所見(jiàn)的較低Ireset。

　　器件速度和10年數(shù)據(jù)保持溫度

　　未來(lái)應(yīng)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(jìn)行此測(cè)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(dá)12ns的速度。

　　GST 415合金的另一個(gè)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(chǎn)品與廣泛用于研發(fā)活動(dòng)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(chǔ)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(shí)際上能達(dá)到高于200℃的10年數(shù)據(jù)保持溫度。

　　循環(huán)壽命

　　相變存儲(chǔ)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(chǔ)器(即NOR或NAND閃存)長(zhǎng)1000x，由于電流誘發(fā)的漏電和其他蛻變機(jī)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(yīng)用中DRAM部分潛在的替代存儲(chǔ)器，要求的循環(huán)至少1x109。 已有循環(huán)壽命達(dá)1x1013的個(gè)別探索型器件顯示出置位能量減少。由于其非易失性質(zhì)，在替代DRAM時(shí)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(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的能耗。隨著用PCM存儲(chǔ)替代DRAM的軟件結(jié)構(gòu)變化，研究預(yù)測(cè)，循環(huán)壽命1×1010對(duì)于替代DRAM可能已經(jīng)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(jié)

　　表1總結(jié)了用MOCVD填充100nm高深寬比結(jié)構(gòu)的能力以及MOCVD GST 325 和 MOCVD GST 415與PVD GST 225比較的電學(xué)性能。第二行比較了填充不同深寬比的3D器件結(jié)構(gòu)。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(shuō)明了該工藝將能實(shí)現(xiàn)15nm結(jié)構(gòu)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(xué)特性。該工藝原理上說(shuō)明通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)摻雜C和N可調(diào)整并提高性能，依據(jù)GST 325合金復(fù)位電流減少2x，這優(yōu)于PVD GST?？色@得品質(zhì)優(yōu)秀的GST 415合金用于高速器件。基于MOCVD GST的PCM可循環(huán)1×1010次以上，并在100℃以上高溫下工作。