[发明专利]一种用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料

说明书

本发明公开了一种用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料，Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料为多层膜结构，由Ge层和Sb层交替沉积复合而成，将一层Ge层和一层Sb层作为一个交替周期，后一个交替周期的Ge层沉积在前一个交替周期的Sb层上方。本发明的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料利用类超晶格结构中多层界面的夹持效应，减小晶粒尺寸，从而缩短结晶时间、抑制晶化，在提高材料热稳定性的同时加快相变速度。本发明的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的RESET电压比相同电压脉冲下的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的RESET电压低30%以上，说明本发明的GeSb类超晶格相变薄膜材料具有更低的功耗。

本申请是申请号为201510206563.0，申请日为2015年04月27日，发明创造名称为“用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料及其制备方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域的相变薄膜材料，具体涉及一种用于高速、低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料。

背景技术

相变存储器（Phase Change Random Access Memory，缩写为PCRAM）具有循环寿命长（10¹³次）、元件尺寸小、存储密度高、读取速度快、稳定性强、耐高低温（-55℃～125℃）、抗振动、以及与现有集成电路工艺相兼容等优点，因而受到越来越多研究者和企业的关注（Kun Ren等，Applied Physics Letter, 2014，104（17）：173102）。PCRAM利用材料在晶态和非晶态的巨大电阻差异实现信息存储，当相变材料在非晶态时具有较高电阻，在晶态时具有较低电阻，两态之间的电阻差异达到2个数量级以上。通过电流诱导的焦耳热，可以实现相变材料在两个电阻态之间的快速转变。PCRAM 以其巨大的优势，被国际半导体工业协会认为是最有可能取代目前的闪存而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的下一代非易失性存储器。

相变材料是PCRAM 的核心，其性能直接决定PCRAM的各项技术性能。相变存储器的操作速度主要受限于相变薄膜材料的晶化过程，因此加快相变薄膜材料的相变速度才能提高相变存储器的操作速度。Ge₂Sb₂Te₅是目前广泛采用的相变存储材料，虽然其各方面的性能均衡，没有太大的缺点，但是存在很多有待改善和提高的地方（Zhou Xilin等，ActaMaterialia, 2013，61（19）：7324-7333）。首先Ge₂Sb₂Te₅薄膜以形核为主的晶化机制使得其相变速度较慢，无法满足未来高速、大数据时代的信息存储要求；其次，Ge₂Sb₂Te₅薄膜的热稳定性较差，晶化温度只有160℃左右，仅能在85℃的环境温度下将数据保持10年，还不能完全满足未来高集成度的半导体芯片的要求。

近年来，类超晶格相变材料受到持续关注，与传统的单层Ge₂Sb₂Te₅相变材料相比，类超晶格结构具有较低的热导率，可以减少加热过程中的热量散失，从而提高加热效率。

例如，中国专利文献CN 101271960 B（申请号 200710185759.1）公开了一种相变层及其形成方法，相变存储器件及其制备方法，相变材料层为单层，包括上层部分和下层部分，上层部分和下层部分的晶格不同。下层部分是掺杂杂质的硫族化物材料层，下层部分选自由掺杂氮的Ge-Sb-Te层、Ge-Sb-Te-N层、As-Ge-Sb-Te-N层等组中的一种；上层部分是非掺杂氮的硫族化物材料层，上层部分是选自由Ge-Sb-Te层、As-Ge-Sb-Te层、Sn-Sb-Te层等组中的一种。利用多层结构的特点，这样的扩散抑制膜可以降低或减小Ti从包含Ti的粘结层中扩散到相变层中，减少相变层的缺陷。同时因为提供了扩散抑制膜，具有足够厚度的粘结层可以形成在相变层和顶部电极之间，相变层和顶部电极之间的粘结力可以得到提高，抑制界面的微起皱。