[發明專利]低密度變化的超晶格相變薄膜、相變存儲器及其制備方法

有效

• 申請號: 201911033437.4
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110931635B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 程曉敏;馮金龍;徐明;徐萌;繆向水
• 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: 趙偉

本發明公開了一種低密度變化的超晶格相變薄膜、相變存儲器及制備方法，該超晶格相變薄膜包括交替堆疊形成周期性結構的第一相變層和第二相變層；在晶化的過程中，第一相變層具有常規的正密度變化，而第二相變層具有反常的負密度變化，因此它在晶化過程中的密度反常減小、體積增大，可用來抵消第一相變層在晶化過程中的體積減小現象；將常規相變材料與負密度變化的材料交替堆疊形成的超晶格薄膜可以減小相變存儲材料在相變過程中的體積變化，進而減少相變存儲材料在循環擦寫過程中由于體積反復增大和減小造成的空洞；將該低密度甚至零密度變化的超晶格相變薄膜應用于相變存儲器中，可以顯著增加相變存儲器件循環擦寫的穩定性，提高器件的使用壽命。

技術領域

本發明屬于微電子器件及存儲器技術領域，更具體地，涉及一種低密度變化的超晶格相變薄膜、相變存儲器及制備方法。

背景技術

相變存儲材料由于其可以通過施加電或者光脈沖快速的在晶態(低阻態)和非晶態(高阻態)之間實現可逆的變換而備受人們關注，由高阻態轉變為低阻態的過程稱為SET過程，其逆過程稱為RESET過程。基于相變材料的存儲技術被人們認為是下一代存儲技術的有力競爭者之一。

相變材料的兩態具有不同的質量密度，一般來講，其晶態由于原子有序化排列其密度更高，體積更小。而其非晶態由于原子雜亂的無序堆積導致其密度更低，體積更大。我們將這種在晶化(非晶態到晶態)的過程中其密度由低(非晶態)到高(晶態)變化的相變材料稱為正密度變化的材料，這種正密度變化的相變材料在所有相變材料中最為常見。質量一定的相變材料在兩態轉變的擦寫過程中其體積反復增大減小，一定的擦寫次數之后，相變存儲器中有效相變區域的周圍便會產生空間上的“空洞”(Njoroge W K,H W,Wuttig M.Density changes upon crystallization of Ge₂Sb_2.04Te_4.74 films[J].Journal of Vacuum ScienceTechnology A:Vacuum,Surfaces,and Films,2002,20(1):230-233.)。這些“空洞”導致相變材料與周圍材料不再接觸，導電通路被斷開，器件失效。如果能夠減小相變材料兩態之間的密度變化率，則能夠防止“空洞”產生，有利于提高器件的循環擦寫次數。

另一方面，目前所使用的相變存儲材料主要以GeTe、Sb₂Te₃及兩者以一定的比例組成的勻質化合物合金材料Ge_xSb_2yTe_x+3y(x及y均為整數)為主。但一系列的研究表明，以超晶格相變材料作為功能材料的界面相變存儲器(iPCM)在SET速度、RESET功耗以及循環擦寫穩定性等方面均遠超過使用傳統功能材料的相變存儲器(Simpson R E,Fons P,Kolobov AV,et al.Interfacial phase-change memory[J].Nature nanotechnology,2011,6(8):501.)。超晶格相變材料是兩種不同組元的相變材料以幾個納米到十幾個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性的多層膜，事實上是特定形式的層狀精細復合相變材料。由于超晶格相變存儲材料是一種由兩種相變材料交替堆疊而成的人工復合材料，與普通相變材料相比，其特性更易被人編輯、調控。目前，超晶格相變材料中的兩種相變層材料同樣具有兩態密度變化大的特點，導致反復擦寫過程中產生“空洞”，因此超晶格相變材料仍然存在多次循環擦寫后器件失效的問題。

相變存儲器件的循環擦寫次數是其電學特性的一個重要指標，具有高循環擦寫次數的低密度變化超晶格相變存儲器適用于需要頻繁交換數據的應用場景，其有望于取代計算機中的DRAM，從而深刻改變計算機目前的架構。

發明內容