[發明專利]三明治結構銻硒-銻-銻硒納米復合多層相變薄膜及其制備和應用

在審

• 申請號: 202010175138.0
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111276608A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 吳衛華;朱小芹;眭永興
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 杭行

本發明公開一種三明治結構銻硒?銻?銻硒納米復合多層相變薄膜及其制備和應用，薄膜的總厚度為40?60 nm，結構通式為SbSe(a)/Sb(b)/SbSe(a)，其中a和b分別表示SbSe薄膜和Sb薄膜的厚度，且17≤a≤24.5 nm，1≤b≤16 nm。本發明通過磁控濺射的方法在SbSe相變材料中穿插一層Sb相變材料，構成三明治結構相變存儲薄膜，利用材料各自的優勢，使得該三明治結構SbSe/Sb/SbSe相變存儲薄膜具有熱穩定性高、相變速度快、非晶態電阻和高低電阻合適的特征。

技術領域

本發明涉及微電子材料技術領域，具體涉及一種三明治結構銻硒-銻-銻硒納米復合多層相變薄膜及其制備和應用。

背景技術

隨著電子市場對存儲產品需求的持續增長，存儲器的地位日益突出。為了適應功能鑲嵌型集成電路發展需要，人們希望未來的存儲器兼具讀寫速度快、操作功耗低、存儲容量大等特性。當半導體工藝技術節點繼續推進至45 nm以下時，DRAM的發展受到了光刻精度的制約，Flash的發展受到了電容的影響。在系統級集成電路中，芯片總面積逐步減小，而存儲器所占比例卻在不斷增大。因此，研發高存取速度、高存儲密度、低操作功耗的新型存儲器勢在必行。其中，相變存儲器（PCRAM）不僅在非易失性、高速、低耗、大容量等方面具有很大的優勢，而且其存儲單元面積小、微縮能力強，成為未來可替代DRAM和Flash的候選存儲器。

相變存儲器（PCRAM）是利用相變材料在電脈沖操作下實現晶態和非晶態轉換來達到電阻值的邏輯區分。PCRAM性能的優劣與相變材料性能的好壞密不可分，PCRAM性能優劣主要體現在數據保持力、存儲速度、操作功耗、存儲容量等方面，要想獲得高數據保持力、高存儲速度、低操作功耗、大存儲容量的PCRAM，就要開發出具有高相變溫度、快結晶速度、低操作電流等特征的新型相變材料。

傳統地相變存儲材料Ge₂Sb₂Te₅已被成功應用于手機、平板等消費性電子領域，然而， Ge₂Sb₂Te₅材料很難在50 ns內實現快速結晶，同時，620℃的熔化溫度使得其RESET功耗偏高，而且材料中含有Te元素，Te元素的易揮發性容易造成相分離，且Te元素具有毒性，會污染環境和半導體工藝。上述不足之處使得Ge₂Sb₂Te₅材料難以勝任未來高速、低功耗、大容量PCRAM的發展需要。為此，研究人員通過摻雜改性和構造多層結構的方式來優化和開發新型相變存儲材料。其中，類超晶格相變材料是指將不同性能的相變材料在納米尺度進行多層復合，實現兩種材料的取長補短，獲得綜合性能優異的相變材料。新加坡數據存儲研究所T. C. Chong等人于2006年首次提出基于GeTe/Sb₂Te₃類超晶格結構相變存儲器，獲得了當時世界上最快的相變存儲單元（Chong, T. C：Applied Physics Letters，2006，88 (12)，p.122114）。

中國專利CN101488558A公開了一種用于相變存儲器的M-Sb-Se相變薄膜材料，通過在SbSe材料中摻入鎢、鋁、銦、銀、銅、鎳、鎵、鈦、錫、氧及氮元素，獲得熱穩定性高的單層結構相變材料。中國專利CN108365088A公開了一種用于相變存儲器的SbSe/Sb多層相變薄膜材料及其制備方法，將Sb₇₀Se₃₀和Sb進行多個周期的復合，獲得了多層（偶數層）結構的相變材料。然而該材料較多的界面使得材料經過多次晶化和非晶化過程后面臨著界面擴散的弊端，從而大大降低了器件的循環性能。