[發明專利]類超晶格鋅銻-銻硒納米相變薄膜及其制備和應用

在審

• 申請號: 202010175608.3
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111276609A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 吳衛華;朱小芹;薛建忠
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 杭行

本發明公開一種類超晶格結構ZnSb/SbSe相變存儲薄膜及其制備和應用，該相變存儲薄膜的總厚度為40?60 nm，結構通式為[ZnSb(a)/SbSe(b)]_n，其中，a和b分別表示單個周期中ZnSb薄膜和SbSe薄膜的厚度，且1a25 nm，1b25 nm，n為類超晶格結構相變薄膜的總周期數，且1n25。本發明通過磁控濺射的方法將結晶溫度高的ZnSb和相變速度快的SbSe相變材料進行交替濺射構造出類超晶格結構，優勢互補后獲得的相變存儲薄膜兼有熱穩定性高和相變速度快的特性，其相變性能可以通過調整ZnSb和SbSe的厚度比、周期數等結構參數進行調控。

技術領域

本發明涉及微電子材料技術領域，具體涉及一種類超晶格鋅銻-銻硒納米相變薄膜及其制備和應用。

背景技術

相變存儲器（PCRAM）憑借非易失性、高速低功耗、循環壽命長、集成度高等諸多優勢成為最具潛力的下一代存儲器之一，其工作原理是利用相變材料非晶態時的半導體高阻值和晶態時的金屬低阻值特性實現信息的存儲。相變材料性能的好壞直接決定了PCRAM性能的優劣。目前，Ge₂Sb₂Te₅相變材料已被廣泛應用于PCRAM中。然而，由于Ge₂Sb₂Te₅材料的相變溫度僅有160℃，相變速度大于50 ns，且材料中Te元素的存在導致器件的工作可靠性不夠高。上述不足之處使得Ge₂Sb₂Te₅相變材料難以在未來PCRAM市場中占據有利地位。因此，尋找性能優越的相變存儲薄膜成為PCRAM發展進程中的永恒主題。

近年來，構造類超晶格結構相變存儲薄膜成為優化相變材料的有效手段。新加坡數據存儲研究所T. C. Chong等人于2006年首次提出將GeTe/Sb₂Te₃多層材料應用于PCRAM的制備，獲得了當時世界上最快的相變存儲單元（Chong, T. C：Applied PhysicsLetters，2006，88 (12)，p.122114）。將兩種不同性能的相變材料進行納米級多層復合，利用層間界面效應改善單一相變材料的相變性能，如調節材料的相變溫度、相變速度、非晶態和晶態電阻率等，可獲得綜合性能優異的類超晶格相變存儲薄膜。

二元Zn-Sb合金薄膜具有較高的相變溫度，可應用于高數據保持力PCRAM中（Zifang He： Materials Letters, 185 (2016), P. 399-102）。然而，熱穩定性和相變速度是矛盾的兩方面，即相變溫度高的Zn-Sb合金有著慢的相變速度，無法滿足高速存儲的需求。中國專利CN105514269B公開了一種納米復合堆疊相變薄膜及其制備方法和應用，將Ge₂Sb₂Te₅和ZnSb兩種相變材料采用堆疊結構獲得了具有中間態的相變薄膜。由于Ge₂Sb₂Te₅相變溫度僅為160℃，從而使得堆疊相變薄膜的第一次相變溫度偏低，均低于200℃，預示著其熱穩定性不夠高。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，然而該系列材料熱導率較大，從而使得薄膜操作功耗偏高。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，獲得了多層結構的相變材料。但是該系列材料的相變溫度均低于200℃，無法應用于高溫工況下的信息存儲。SbSe相變材料是一種相變速度快、環境友好，且與CMOS工藝兼容的相變材料。然而由于其相變溫度偏低的特性，使得其不能滿足高溫應用領域的需求。

為此，有必要針對現有技術中的不足，進一步研究出一種相變性能更為優越的相變存儲薄膜，更好地適應相變存儲領域快速發展的需要，以期最大程度拓寬該類材料的市場應用價值，在未來PCRAM市場中占據一席之地。