相变材料Cr-SbTe的反应离子刻蚀及其机理研究

作     者：王路广 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张楷亮;翟志刚

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铬掺杂碲化锑 反应离子刻蚀 刻蚀工艺 刻蚀机理 存储单元 

摘      要：相变存储器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)是一种具有优良性能的新型非易失性存储技术,具有良好的应用前景。相变材料铬掺杂碲化锑(Cr-SbTe)具有热稳定性高、结晶速度快等优势,具备替代传统相变材料锗锑碲(GST)的潜力。要实现先进相变材料工艺集成,与之相关的相变材料刻蚀是PCRAM制备的关键工艺。因此本文主要从Cr-SbTe薄膜的刻蚀工艺参数优化及刻蚀机理进行探索和研究。本文利用磁控溅射生长Cr-SbTe薄膜,并对不同生长功率条件下的薄膜采用聚焦离子束(FIB)、原子力显微镜(AFM)、X射线能谱分析(EDS)、半导体参数分析仪分别对其厚度、表面粗糙度、元素成分、温阻变化进行了表征,对优化后的Cr-Sb Te薄膜利用XRD、拉曼光谱进行结构表征。分别研究了Ar/SF、O/SF两组混合刻蚀气体的气体流量比例、压强和功率对刻蚀速率的影响,发现Ar/SF刻蚀速率明显高于O/SF。气体总流量为50 sccm、气体比例为Ar/SF=10:40时,刻蚀速率最大为144.8 nm/min,刻蚀后薄膜表面均方根粗糙度最小为0.87 nm。随着压强的增加,刻蚀速率逐渐减小,最佳压强为10 m Torr。随着功率的增加刻蚀速率先增大后减小,在压强为10 m Torr,功率为150 W时刻蚀速率最大,侧壁垂直度最佳(接近90°)。Ar/SF对光刻胶和Si O的刻蚀选择比明显大于O/SF,Ar/SF混合气体对光刻胶的刻蚀选择比最大达到0.83,对SiO的刻蚀选择比达到3.3。在以上优化工艺参数的基础上,分析刻蚀过程中发生的化学反应,对刻蚀前后Cr-SbTe薄膜进行XPS表征,分析Cr、Sb、Te元素化学状态变化。发现刻蚀过程中Cr、Te元素较易被刻蚀,Sb元素不易被刻蚀。并通过对刻蚀后薄膜进行XPS深度分析,发现刻蚀后薄膜表面产生一层氟化物薄层,保护刻蚀表面。利用刻蚀工艺制备相变存储单元,并对相变存储单元进行电学性能分析。此论文对相变材料Cr-SbTe的刻蚀工艺应用于相变器件的制作提供了理论依据和实验基础。