[发明专利]一种用于相变存储器的硅-硒化锡纳米多层复合相变薄膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的材料，具体涉及一种用于低操作电流相变存储器的Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料。

背景技术

相变存储器（PCM）作为新一代非易失性存储器技术，具有高的读速读写、高可靠性、低功耗、寿命长、循环擦写次数高等优点，同时能够兼容于COMS工艺（S.Lai and T.Lowrey:IEDM Tech.Dig.,2000,p.243）。基于以上优点，PCM成为最有望取代目前普遍使用的FLASH技术，占领下一代非挥发性存储市场的存储技术。PCM是利用电流产生的焦耳热量可逆改变薄膜电阻进行编程，薄膜在高阻值时为非晶态，在低阻值时为晶态，高低电阻值分别对应着逻辑数据的“0”和“1”（S.W.Ryu等，Applied Physics Letters，92，142110，2008）。

薄膜由晶态转化到非晶态（RESET）过程中，需要将薄膜加热到其熔点以上，该过程需要较大的操作电流。相变存储器的功耗也主要消耗于RESET过程中。根据公式P=I²R（P、I、R分别为功率、电流、电阻），相同的产热功率下，若能提高薄膜的电阻，则可以极大的降低相应的操作电流。传统操作电流较小的相变材料，一般相变温度与熔点较低，相变激活能较小，导致了相应相变存储器对数据的保持能力较弱。本发明将介质材料Si与相变材料SnSe₂进行多层复合，则可以在保证较高数据保持能力的基础上，大幅度的提高复合薄膜的晶态电阻。

本发明所述的薄膜与现有技术中的薄膜相比更具优势：首先，薄膜的晶态电阻更高；其次，数据保持能力更强。这是其他现有技术中的薄膜很难达到的优异性能。

发明内容

鉴于以上传统相变材料的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种能够使用较低操作电流即可实现相变存储且具有优异的数据保持能力的Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料及其制备方法，用于解决传统相变材料晶态电阻不高和数据保持能力不良的缺点和不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明的Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜较好的解决了传统相变材料的缺点和不足。Si与SnSe₂二者的多层复合使得该薄膜材料体系的晶态电阻得到了极大的提高。此外，由于SnSe₂薄膜本身在相变前后具有10个以上数量级的电阻变化，使得将Si引入复合多层薄膜后，Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜在提高晶态电阻的同时仍保证了相变前后足够的电阻变化比。Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜对数据的保持能力仍然维持在了较高水平，与最成熟的Ge₂Sb₂Te₅相近，可将数据在80°C以上的环境中保持10年以上。

本发明的能够用于低操作电流相变存储器的Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料，通过溅射沉积Si层和SnSe₂层，在纳米量级复合而成。

本发明的Si/SnSe₂中的“/”代表“和”的意思。

本发明的Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料中，单层Si薄膜和单层SnSe₂薄膜交替排列成多层膜结构，单层Si薄膜的厚度范围为3~40nm，单层SnSe₂薄膜的厚度为4~10nm；所述Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料的总厚度为75～210nm。

所述Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜材料的结构符合下列通式：

[Si(a)/SnSe₂(b)]_x；

式中a、b分别表示所述单层Si薄膜及单层SnSe₂薄膜的厚度，3nm≤a≤40nm，4nm≤b≤10nm，且a/b的取值范围为0.75-4；x表示单层Si薄膜和单层SnSe₂薄膜的交替周期数或者交替层数，且x为正整数，x通过相变薄膜的总厚度N与所述单层Si薄膜和单层SnSe₂薄膜的厚度和计算所得，即a+b=N/x(nm)。

优选的，所述Si/SnSe₂纳米多层复合相变薄膜中a：b为4：5、8：5、12：5、16：5、20：5。