[发明专利]高速低功耗Ti-Ge-Sb纳米复合相变薄膜及其制备和应用

说明书

本发明涉及高速低功耗Ti‑Ge‑Sb纳米复合相变薄膜及其制备和应用，该薄膜为掺金属元素Ti的Ge₈Sb₉₂纳米相变薄膜，其化学组成符合化学通式Ti_x(Ge₈Sb₉₂)_1‑x，其中，x为金属Ti元素的原子百分比，且0<x<0.3，制备时首先清洗SiO₂/Si(100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质，然后利用磁控溅射共溅射法制备相变薄膜。与现有技术相比，本发明具有更快的SET操作速度，更高的结晶温度和结晶激活能，更大的晶态电阻，有利于实现高速低功耗存储的PCRAM。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域的材料，尤其是涉及一种高速低功耗Ti-Ge-Sb纳米复合相变薄膜及其制备和应用。

背景技术

随着平板电脑、智能手机等移动互联终端不断增长的市场需求，Flash存储器的市场份额逐年增加，成为市场上主流的非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)。尽管如此，Flash的发展面临着诸多新的挑战。首先，Flash需要不断地进行电荷的注入操作，导致器件的擦写速度较低且功耗较大。其次，随着半导体制备技术发展到20nm以下，Flash器件电荷泄露变得越来越严重，给数据存储带来极大的不可靠性。为此，学术界和工业界纷纷投入到新型存储技术的研发，期望能找到一种可替代Flash的存储技术，其中相变存储器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)被公认为下一代最具竞争力的非易失性半导体存储技术。PCRAM在高速度、高密度、低功耗等方面有着突出的优势，且PCRAM存储单元被证实在5nm技术节点之前不存在任何物理极限。

PCRAM摒弃传统的电荷存储为基础的技术，利用相变存储材料在擦写过程中物理状态的变化实现信息数据的存储。相变材料作为PCRAM中最重要的存储介质，其性能的优劣直接影响着PCRAM器件的好坏。传统相变材料Ge₂Sb₂Te₅由于良好的物理性能成为应用最为广泛的相变材料之一，但仍然有几个问题亟待解决：(a)Ge₂Sb₂Te₅材料的10年数据保持温度仅仅为85℃，远远不能满足汽车电子及航空航天等领域的应用；(b)Ge₂Sb₂Te₅材料的晶粒尺寸较大，大大降低器件的可微缩性能，不利于实现器件高密度；(c)Ge₂Sb₂Te₅材料的晶粒团簇现象造成相变过程中体积变化较大，显著降低器件的疲劳性和可靠性；(d)Ge₂Sb₂Te₅材料的结晶机制属于成核占优型，较慢SET速度无法满足未来高速PCRAM的要求。为此，研究人员通过掺杂手段或构造类超晶格结构改善和优化Ge₂Sb₂Te₅材料的相变性能，实现高热稳定性、高操作速度、高存储密度、低操作功耗等的应用需求。

近年来，为实现上述应用需求，越来越多的新型相变材料不断地被发现并被应用，如Si-Sb-Te，W-Sb-Te，Ti-Sb-Te，Ge-Sb、Ti-Sb、Sn-Sb、Ga-Sb、Zn-Sb等。其中，Ge-Sb相变材料表现出快的相变速度和优异的尺寸缩小能力受到研究界的青睐。一方面，富Sb的Ge-Sb相变材料属于晶粒生长占优型结晶机制，结晶时间仅为5ns，其速度性能可以与DRAM性能相媲美。另一方面，当薄膜厚度减小到3nm时，Ge-Sb相变材料仍展现出优异的存储性能，有利于实现器件的高密度存储。当然，Ge-Sb薄膜不可避免地存在着一些不足之处：非晶态热稳定性有待进一步提高；晶态电阻有待进一步提升。