[發明專利]納米復合Ti-Ge-Te相變存儲薄膜材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010175609.8
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111276610A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 吳衛華;陳康雄;刁懿;湯皓婷;張賢;朱小芹;鄒華;胡益豐
• 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

本發明公開一種納米復合Ti?Ge?Te相變存儲薄膜材料及其制備方法和應用，該薄膜材料的化學組成符合化學通式Ti_x(Ge_yTe_1?y)_1?x，其中，0.08≤x0.3，0.4y0.6，薄膜厚度30~100 nm。本發明通過磁控濺射的方法在Ge?Te合金中摻入Ti雜質，通過調控Ti、Ge和Te元素的原子百分比，提高Ti?Ge?Te相變薄膜的相變溫度和晶態電阻率，細化薄膜的晶粒尺寸和減小相變過程中的密度變化，獲得的Ge?Te基相變存儲薄膜材料具有高熱穩定性、高可靠性和低功耗的優勢。

技術領域

本發明涉及微電子材料技術領域，具體涉及一種納米復合Ti-Ge-Te相變存儲薄膜材料及其制備方法和應用。

背景技術

2017年，Intel研制出第一款基于3D Xpoint技術的Optane SSD DC P4800X芯片，其每秒輸入/輸出操作達到70300，遠高于基于NAND SSD的15900。同時，在數據復制速度方面，基于3D Xpoint技術的SSD達到1.93 GB/s，遠快于基于NAND SSD的284 MB/s。高的存取速度和大的存儲密度使得相變存儲器（PCRAM）有望成為存儲級內存（SCM）。

PCRAM的性能主要取決于相變存儲介質的性能，Ge₂Sb₂Te₅材料已經被成功地商業化應用于各類嵌入式消費電子。然而，由于Ge₂Sb₂Te₅材料存在著熱穩定性低、相變速度慢的缺點，PCRAM在市場中的競爭力被削弱。GeTe是一種二元相變材料，它的結晶溫度高于Ge₂Sb₂Te₅材料，且在結晶過程中可以從非晶態直接轉變到菱形結構的晶態，不像Ge₂Sb₂Te₅材料一樣存在中間立方體結構的晶態。GeTe材料的結晶機制為生長主導型，表現出快的相變速度。但是，GeTe材料的相變溫度仍不夠高，使得其數據保持力仍有待提升，較高的熔點和較低的晶態電阻導致其操作功耗不夠低，較大的晶粒尺寸和密度變化使得PCRAM工作可靠性不夠高，容易面臨著失效的危險。

中國專利CN102623632B公開了一種用于高溫環境的N-Ge-Te 相變存儲材料及制備方法，在Ge_0.6Te_0.4中摻入N原子（原子百分比為0.098~0.131）可以提高材料的相變溫度和結晶激活能，但由于其器件相變時間需要1000 ns，即微秒級的相變速度，這與PCRAM的納秒級相變速度的要求差距甚遠。另外，過多的N原子摻入將導致Ge_0.6Te_0.4合金失去相變性能，根本無法應用于PCRAM。中國專利CN103035841B公開了一種用于相變存儲器的Ti-Ge-Te 系列材料及其制備方法，在Ge-Te合金中摻入少量的Ti原子（原子百分比為0.04~0.08）可以略微提高材料的結晶溫度（~200℃），顯然該材料仍不能滿足汽車電子和航空航天領域的應用要求。除此之外，該Ge-Te合金的高低電阻之比隨著雜質Ti含量的增加而減小，有礙于PCRAM的邏輯信號辨識，從而引起數據的誤讀。

因而有必要進一步深入研究以期能設計出一種更為高效的方法來制備Ge-Te基相變存儲薄膜材料，使得材料的熱穩定性和可靠性進一步提高且功耗能進一步降低，最終拓寬該類材料的市場應用范圍，提高市場應用價值。

發明內容

本發明的目的在于克服單純Ge-Te相變材料的結晶溫度低、晶態電阻小、晶粒尺寸大等缺點，提供一種能夠抑制Ge-Te材料相變過程、提高結晶溫度、增大晶態電阻和減小晶粒尺寸的Ti摻雜納米復合Ti-Ge-Te相變存儲材料。通過調控Ti、Ge和Te元素的原子百分比來提高Ge-Te材料的相變溫度和晶態電阻率，細化薄膜的晶粒尺寸和減小相變過程中的密度變化，從而獲得高熱穩定性、高可靠性、低功耗的Ge-Te基相變存儲薄膜材料。