ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1 Современные и перспективные виды энергонезависимой памяти 7
1.2 История открытия, создания и развития фазовой памяти 9
1.3 Принцип работы ячейки фазовой памяти 11
1.4 Материалы фазовой памяти 18
1.5 Свойства тонких пленок на основе материалов системы Ge-Sb-Te 21
Выводы по главе 1 25
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 26
2.1 Технология получения тонких пленок Ge2Sb2Te5 27
2.2 Методы исследования тонких пленок Ge2Sb2Te5 29
2.2.1 Рентгенофазовый анализ 30
2.2.2 Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия 30
2.2.3 Атомно - силовая микроскопия 31
2.3 Исследование электрофизических свойств тонких пленок Ge2Sb2Te5 31
2.3.1 Образцы для исследования эффекта переключения с памятью в тонких пленках
Ge2Sb2Te5 32
2.3.2 Методика исследования эффекта переключения с памятью в режиме
постоянного напряжения 35
2.3.3 Методика исследования эффекта переключения с памятью в импульсном
режиме 36
Выводы по главе 2 40
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 41
3.1 Исследование исходных тонких пленок Ge2Sb2Te5 42
3.2 Исследование эффекта переключения с памятью в тонких пленках Ge2Sb2Te5 в
режиме постоянного напряжения 42
3.3 Исследование эффекта переключения с памятью в тонких пленках Ge2Sb2Te5 в
импульсном режиме 44
Сравнение полученных результатов 48
Выводы по главе 3 49
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 50
ЛИТЕРАТУРА
На сегодняшний день одним из самых распространенных и коммерчески используемых видов энергонезависимой памяти является флэш-память (Flash-memory). Столь широкое распространение она получила благодаря низкой стоимости и энергопотреблению. Устройства на основе флэш-памяти компактны и надежны по сравнению с жесткими дисками (HDD), поскольку их конструкция не содержит движущихся частей. Информация с таких носителей может быть считана сколь угодно много раз, однако количество циклов перезаписи ограничено и составляет ~ 105 циклов [1].
Стоит отметить, что флеш-технология практически достигла своего предела миниатюризации. В связи с этим, все больше внимания разработчики стали уделять созданию новых видов запоминающих устройств (ЗУ). Одним из перспективных видов ЗУ является фазовая память (Phase-Change Memory или РСМ) [2].
Электрическая фазовая память по ряду показателей уже превосходит, либо в ближайшее время будет превосходить существующие и разрабатываемые виды памяти [3]. При этом в работе [3] отмечается, что устройства, созданные по технологии фазовой памяти, будут обладать повышенной радиационной стойкостью и смогут сочетать в себе достоинства как энергонезависимой, так и быстродействующей динамической памяти .
Наиболее перспективными функциональными материалами для фазовой памяти являются халькогенидные стеклообразные соединения тройной системы Ge-Sb-Te, в которых под действием низкоэнергетического оптического или электрического импульса происходят сверхбыстрые фазовые переходы, сопровождающиеся существенным изменением удельного сопротивления и оптических параметров.
За последние несколько лет в разработке технологии РСМ достигнут заметный прогресс: крупные производители элементов памяти анонсировали завершение этапа исследовательских работ и запустили серийное производство.
Однако, несмотря на приближающийся коммерческий успех устройств РСМ, многие фундаментальные вопросы, связанные с механизмами перехода халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) из высокоомного состояния в низкоомное, остаются открытыми. Изучение этих механизмов и связанных с ними электрофизических свойств материалов системы Ge-Sb-Te до сих пор является актуальной задачей.
В связи с этим, целью данной работы является исследование электрофизических свойств тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5, в частности, исследование эффекта электрического переключения с памятью, который играет важную роль в работе ячеек фазовой памяти.
1. В работе проведен анализ современных и перспективных видов энергонезависимой памяти, который выявил, что среди разрабатываемых на сегодняшний день технологий наиболее перспективной является технология фазовой памяти. Рассмотрены существующие типы РСМ-ячеек и проанализированы их основные достоинства и недостатки.
2. Изучение свойств халькогенидных стеклообразных полупроводников показало, что наиболее оптимальными материалами для создания РСМ-ячеек являются соединения системы Ge-Sb-Te, в которых происходят сверхбыстрые фазовые переходы (эффект переключения). В данной работе большое внимание уделено исследованию эффекта переключения с памятью и определению временных и вольтамперных характеристик переключения.
3. Для исследования эффекта переключения с памятью были изготовлены образцы с крестообразной структурой и образцы, у которых в качестве нижнего электрода выступал сплошной слой металла. Исследование структурно-химических свойств тонких пленок GSТ методом РФА и ЭДС позволило установить, что исходные пленки находились в аморфном состоянии, а их состав соответствовал составу Ge2Sb2Te5.
4. Разработан аппаратно-технический комплекс, позволяющий исследовать эффект переключения с памятью. АТК включает в себя две электрические схемы, при помощи которых можно проводить измерения эффекта переключения с памятью в двух режимах: в режиме постоянного напряжения и в импульсном режиме.
5. По результатам измерений в режиме постоянного напряжения была определена величина порогового напряжения переключения Uth, которая для всех исследуемых образцов не превышала 1 В. По итогам измерений было установлено, что величина напряжения для исследования переключения с памятью в импульсном режиме U должна быть больше Uth: Uo > Uth.
6. Определение длительности переходного процесса Дт и времени переключения осуществлялось в импульсном режиме. В результате проведенных измерений был установлено, что длительность переходного процесса составляет ~ 20 нс, а время переключения варьируется от 180 до 240 нс.
