[發明專利]一種用于高速低功耗相變存儲器的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料

有效

• 申請號: 201810257171.0
• 申請日: 2015-04-27
• 公開（公告）號: CN108539013B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 胡益豐;朱小芹;吳世臣;鄒華;袁麗;吳衛華;張建豪;眭永興;沈大華
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;B82Y30/00;C23C14/18;C23C14/35;C23C14/16;B82Y40/00
• 代理公司: 常州市江海陽光知識產權代理有限公司 32214
• 代理人: 孫培英

本發明公開了一種用于高速低功耗相變存儲器的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料，Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料為多層膜結構，由Ge層和Sb層交替沉積復合而成，將一層Ge層和一層Sb層作為一個交替周期，后一個交替周期的Ge層沉積在前一個交替周期的Sb層上方。本發明的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料利用類超晶格結構中多層界面的夾持效應，減小晶粒尺寸，從而縮短結晶時間、抑制晶化，在提高材料熱穩定性的同時加快相變速度。本發明的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料的RESET電壓比相同電壓脈沖下的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的RESET電壓低30%以上，說明本發明的GeSb類超晶格相變薄膜材料具有更低的功耗。

本申請是申請號為201510206563.0，申請日為2015年04月27日，發明創造名稱為“用于高速低功耗相變存儲器的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料及其制備方法”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及微電子技術領域的相變薄膜材料，具體涉及一種用于高速、低功耗相變存儲器的Ge/Sb類超晶格相變薄膜材料。

背景技術

相變存儲器（Phase Change Random Access Memory，縮寫為PCRAM）具有循環壽命長（10¹³次）、元件尺寸小、存儲密度高、讀取速度快、穩定性強、耐高低溫（-55℃～125℃）、抗振動、以及與現有集成電路工藝相兼容等優點，因而受到越來越多研究者和企業的關注（Kun Ren等，Applied Physics Letter, 2014，104（17）：173102）。PCRAM利用材料在晶態和非晶態的巨大電阻差異實現信息存儲，當相變材料在非晶態時具有較高電阻，在晶態時具有較低電阻，兩態之間的電阻差異達到2個數量級以上。通過電流誘導的焦耳熱，可以實現相變材料在兩個電阻態之間的快速轉變。PCRAM 以其巨大的優勢，被國際半導體工業協會認為是最有可能取代目前的閃存而成為未來存儲器主流產品和最先成為商用產品的下一代非易失性存儲器。

相變材料是PCRAM 的核心，其性能直接決定PCRAM的各項技術性能。相變存儲器的操作速度主要受限于相變薄膜材料的晶化過程，因此加快相變薄膜材料的相變速度才能提高相變存儲器的操作速度。Ge₂Sb₂Te₅是目前廣泛采用的相變存儲材料，雖然其各方面的性能均衡，沒有太大的缺點，但是存在很多有待改善和提高的地方（Zhou Xilin等，ActaMaterialia, 2013，61（19）：7324-7333）。首先Ge₂Sb₂Te₅薄膜以形核為主的晶化機制使得其相變速度較慢，無法滿足未來高速、大數據時代的信息存儲要求；其次，Ge₂Sb₂Te₅薄膜的熱穩定性較差，晶化溫度只有160℃左右，僅能在85℃的環境溫度下將數據保持10年，還不能完全滿足未來高集成度的半導體芯片的要求。

近年來，類超晶格相變材料受到持續關注，與傳統的單層Ge₂Sb₂Te₅相變材料相比，類超晶格結構具有較低的熱導率，可以減少加熱過程中的熱量散失，從而提高加熱效率。

例如，中國專利文獻CN 101271960 B（申請號 200710185759.1）公開了一種相變層及其形成方法，相變存儲器件及其制備方法，相變材料層為單層，包括上層部分和下層部分，上層部分和下層部分的晶格不同。下層部分是摻雜雜質的硫族化物材料層，下層部分選自由摻雜氮的Ge-Sb-Te層、Ge-Sb-Te-N層、As-Ge-Sb-Te-N層等組中的一種；上層部分是非摻雜氮的硫族化物材料層，上層部分是選自由Ge-Sb-Te層、As-Ge-Sb-Te層、Sn-Sb-Te層等組中的一種。利用多層結構的特點，這樣的擴散抑制膜可以降低或減小Ti從包含Ti的粘結層中擴散到相變層中，減少相變層的缺陷。同時因為提供了擴散抑制膜，具有足夠厚度的粘結層可以形成在相變層和頂部電極之間，相變層和頂部電極之間的粘結力可以得到提高，抑制界面的微起皺。