[发明专利]类超晶格锗锑/锌锑纳米相变薄膜及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种类超晶格锗锑/锌锑纳米相变薄膜及其制备和应用，该相变薄膜的化学组成为[Ge₅Sb₉₅(a)/ZnSb(b)]_x，其中，a、b分别表示单层Ge₅Sb₉₅薄膜和单层ZnSb薄膜的厚度，2≤a≤8nm，b＝10nm，x为复合薄膜的周期数，该薄膜通过磁控溅射得到。相比较传统的GST材料，本发明公开的材料不含碲，是一种环境友好型材料。与GST相比，本发明公开的体系具有较高的结晶激活能，10年数据保持温度以及很高的热稳定性，并且具有纳秒级的相变时间，能够大大提高PCRAM的可靠性和存储速度，这些特性非常地有利于相变存储器的应用。

技术领域

本发明涉及微电子材料技术领域，尤其是涉及一种用于相变存储器的类超晶格锗锑/锌锑纳米相变薄膜及其制备和应用。

背景技术

相变存储器(Phase change memory,PCM)是利用物质相变特性来实现信息存储的一种新型存储器。它最早是基于1968年美国ECD公司的S.R.Ovshinsky在硫系化合物中发现材料非晶态与结晶态的光学特性会有显著变化,即所谓的Ovshinsky电子效应。基于相变材料反射率的可逆转变已经广泛应用于光学存储领域，目前这种特性已在可擦重写CD光盘(CD-RW)和可擦重写DVD光盘(DVD-RW)中得到广泛应用。PCM作为一种新兴的半导体存储器,具有非易失性、循环寿命长(>1013次)、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照、耐高低温(-55～125℃)、抗振动、抗电子干扰、与现有集成电路工艺相兼容等优点,被认为最有可能取代目前的SRAM、DRAM和FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流产品并最先成为商用产品的下一代半导体存储器件。近年来，半导体工艺水平突飞猛进，发展到今天，PCRAM的优势在半导体工艺进入纳米量级后得以日益显现。Intel、Samsung、STMicroelectronics等国际知名半导体厂商，以及新加坡数据存储研究所、中国科学院微系统与信息技术研究所等科研单位都在大力研发PCRAM，不断推动其发展。

相变存储器的基本原理是利用电脉冲产生热量使存储介质材料在高电阻态(非晶态)与低电阻态(晶态)之间相互转换，利用电阻的高低实现数据的存储，并依靠测量电阻的高低实现信息的读取。相变存储器从非晶态(高电阻)到晶态(低电阻)的过程被称为SET过程，反之，由晶态回到非晶态的过程则被称为RESET过程。

作为信息存储的载体，相变材料的性质与PCM器件的性能直接相关。因此，不同机制的相变过程长期以来一直是一个热门的研究课题。基于传统薄膜的相变存储单元最成熟的相变材料是Ge₂Sb₂Te₅(GST)，因为它具有良好的综合性能。然而，成核主导的GST仍然存在一些缺陷，例如结晶速度相对较慢，热稳定性差和数据保持温度低。此外，据报道Te元素可能导致相分离和材料可靠性降低，并且Te元素的存在是有毒的和环境不可接受的，因此无Te的Sb基PCM具有极好的发展前景。生长占优结晶机制的Ge-Sb非晶合金是快速结晶材料，而较差的热稳定性限制了其进一步广泛的应用。近年来，许多研究人员试图通过多层复合或掺杂来改善其性能。何子芳等报道了在超晶格状结构Ge₈Sb₉₂/Ga₃₀Sb₇₀薄膜中发现了相变过程中更好的热稳定性和更小的体积收缩。Kim等人报道，掺入Si的GeSb相变薄膜表现出结晶温度的增加和结晶度的降低，从而改善了材料的热稳定性。傅等人研究了GeSb₉-O和GeSb₉-N薄膜具有快速的结晶速度，良好的热稳定性，并且因为晶粒细化，在晶粒内或晶界附近形成氧化物或氮化物，在间隙位置存在氧或氮原子。中国专利CN105514269A公开了多态Ge₂Sb₂Te₅和ZnSb多层纳米复合相变材料及其制备和应用，这种材料能大大提高PCRAM的存储密度；具有较高的晶化温度和十年数据保持温度，从而能够极大改善PCRAM的热稳定性。但是该专利中的材料存在Te元素，会导致相分离影响器件的性能且污染环境。