[發明專利]一種高可靠性相變材料和相變存儲器及制備方法

有效

• 申請號: 201910759485.5
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110571329B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 繆向水;周凌珺;童浩
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 宋敏

本發明公開了一種高可靠性相變材料，其為第一相變材料層和第二相變材料層循環交替疊合而成的類超晶格相變材料層，所述第一相變材料層和所述第二相變材料層之間形成類超晶格界面，所述第一相變材料層為Sb₂Te₃作為誘導層，所述第二相變材料層為Ge₁₅Te₈₅，循環交替疊合層數至少有三層。非晶態Sb₂Te₃層的晶化所需能量較低，且易于形成穩定的晶格取向，因此所選的Sb2Te3層可以作為誘導層，使非晶態的Ge₁₅Te₈₅層在相變過程中具有更高的相變速度，可促進整個相變材料進行快速晶化；而且所選的Ge₁₅Te₈₅層的能帶結構中，缺陷態主要位于帶尾的局域態，而非帶隙中費米能級附近的缺陷能級，不會因為缺陷能級的馳豫而發生電阻漂移，因此在相變過程中具有更高的相變速度。

技術領域

本發明屬于微電子領域，具體涉及一種高可靠性相變材料及其制備方法，采用該高可靠性相變材料的相變存儲器及其制備方法。

背景技術

作為一種新型存儲器，相變存儲器由于恰當的存儲密度，擦寫速度和功耗，完美的填補了現行存儲構架中的出現的器件斷層。并且，由于相變存儲器的制備工藝與現行的CMOS高度兼容，是下一代存儲器構架的最佳方案之一，在高密度，高速度，低功耗，嵌入式應用和特殊環境應用中具有巨大的商業潛力。

相變存儲器采用相變材料作為存儲介質，用電脈沖產生的焦耳熱是相變材料的電阻狀態發生變化，通常非晶態時為高電阻率，晶態為低電阻率，結合器件的尺寸可以取得不同的電阻值。由于相變材料可以實現部分非晶化，因此相變存儲器在多值存儲的應用上具有巨大優勢。但相變材料在非晶態下具有本征的電阻漂移，在進行多值存儲時不同阻態會發生重疊，引起大概率的誤讀。

降低相變存儲器電阻漂移的常用方法有以下幾種：

一是低溫退火或其他加速老化的方法加速相變材料的自發馳豫，使材料盡快進入相對穩定的狀態，降低使用中發生的電阻漂移。

二是改變單元的讀寫方式，如由電阻權重換算為電壓或電流等物理量表征存儲的信息。

三是改進器件結構，如增加金屬化的覆蓋層抑制電阻漂移。

但是，由于相變材料的電阻漂移是由材料的本征特性決定的，在超過10nm的空間尺度上與材料和器件的尺寸無關，因此器件結構的優化不能從本質上降低相變存儲器的電阻漂移。而讀寫方式的改進一方面增大了外圍電路設計的成本，另一方面會降低讀寫的速度。

因此，一種兼顧性能的低漂移的新型相變材料是當前領域需要解決的問題之一。

發明內容

針對現有技術以上缺陷或改進需求中的至少一種，特別是如何降低電阻漂移、提高可靠性的同時兼顧相變速度等性能，本發明提供了一種高可靠性相變材料和相變存儲器，采用相變材料層Sb₂Te₃和相變材料層Ge₁₅Te₈₅循環交替疊合形成高可靠性的類超晶格相變材料層，其中，非晶態Sb₂Te₃層的晶化所需能量較低，且易于形成穩定的晶格取向，因此所選的Sb2Te3層可以作為誘導層，使非晶態的Ge₁₅Te₈₅層在相變過程中具有更高的相變速度，可促進整個相變材料進行快速晶化；而且所選的Ge₁₅Te₈₅層的能帶結構中，缺陷態主要位于帶尾的局域態，而非帶隙中費米能級附近的缺陷能級，不會因為缺陷能級的馳豫而發生電阻漂移，因此在相變過程中具有更高的相變速度。