[发明专利]一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用，该相变薄膜为Ge₅₀Te₅₀相变材料和Ge₈Sb₉₂相变材料呈周期溅射得到的膜层，制备时，清洗SiO₂/Si(100)基片；安装好溅射靶材，先后开启机械泵和分子泵抽真空；设定溅射气体流量、腔内溅射气压、靶材的溅射功率；采用室温磁控溅射方法制备[Ge₅₀Te₅₀(a)/Ge₈Sb₉₂(b)]_x纳米复合多层相变薄膜。与现有技术相比，本发明具有热稳定性好、相变速度快、存储密度高等优点。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，尤其是涉及一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

相变存储器(Phase change memory，PCM)是一种新型的非易失性半导体存储器，其原理是利用相变材料在电脉冲加热作用下能够在高阻非晶态和低阻多晶态之间高速可逆转变，从而实现二进制信息存储。PCM写操作(RESET)是指给相变材料施加一个短而强的电脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度(T_m)以上，并经过快速淬火导致材料晶态的长程有序遭到破坏，实现材料从晶态到非晶态的转变。PCM擦操作(SET)是指给相变材料施加一个幅度适中且作用时间较长的电脉冲，使材料温度升高到大于结晶温度(T_c)，且低于熔化温度(T_m)，实现材料从短程有序非晶态到长程有序晶态的转变。PCM读操作(READ)是通过欧姆定律量取存储单元阻值判别材料的非晶或晶态。

Ge₂Sb₂Te₅是目前研究最成熟、应用最广泛的相变材料。尽管如此，Ge₂Sb₂Te₅相变材料仍存在着诸多有待改善的问题：第一，Ge₂Sb₂Te₅相变材料结晶温度(160℃)、析晶活化能(2.24eV)和十年数据保持力(85℃)等性能指标不能满足汽车电子(120℃)和航空领域(150℃)的要求；第二，Ge₂Sb₂Te₅相变材料的结晶机制属于成核占优型，较慢的相变速度无法满足未来高速存储器的要求；第三，Ge₂Sb₂Te₅相变材料在相变前后较大的密度变化比(6.8％)大大降低PCM的可靠性和疲劳特性。为此，研究界通过对Ge₂Sb₂Te₅材料中掺入元素改性，如C、N、Sn掺杂以提高热稳定性和操作速度；掺入介质材料(如SiO₂、Ta₂O₅、HfO₂等)形成复合相变材料以提高热稳定性与降低功耗等。

中国专利CN101540370B公开了一种用于相变存储器的GeTe/Sb₂Te₃纳米复合多层薄膜，该相变薄膜既具有高相变速度又具有高热稳定性，且有效地提高PCM的开关比，保证数据读取的可靠性。中国专利CN103378289B公开了一种用于高速高密度相变存储器的SbSe/Ga₃₀Sb₇₀多层纳米复合薄膜材料，该相变薄膜具有高、中、低三个电阻态，能够实现多级存储，提高PCM的存储密度。本发明中所选用的二元相变材料Ge₅₀Te₅₀具有较高的结晶温度和良好的热稳定性等优点，但其结晶速度相对较低且高低电阻开关比较大；富Sb的二元相变材料Ge₈Sb₉₂具有较快的结晶速度，可以实现数据的高速存储，但其较低的结晶温度不利于数据保存的稳定性和可靠性，且较低的晶态电阻导致操作功耗相对较高。

发明内容