[发明专利]低密度变化的超晶格相变薄膜、相变存储器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低密度变化的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法，该超晶格相变薄膜包括交替堆叠形成周期性结构的第一相变层和第二相变层；在晶化的过程中，第一相变层具有常规的正密度变化，而第二相变层具有反常的负密度变化，因此它在晶化过程中的密度反常减小、体积增大，可用来抵消第一相变层在晶化过程中的体积减小现象；将常规相变材料与负密度变化的材料交替堆叠形成的超晶格薄膜可以减小相变存储材料在相变过程中的体积变化，进而减少相变存储材料在循环擦写过程中由于体积反复增大和减小造成的空洞；将该低密度甚至零密度变化的超晶格相变薄膜应用于相变存储器中，可以显著增加相变存储器件循环擦写的稳定性，提高器件的使用寿命。

技术领域

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，更具体地，涉及一种低密度变化的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法。

背景技术

相变存储材料由于其可以通过施加电或者光脉冲快速的在晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)之间实现可逆的变换而备受人们关注，由高阻态转变为低阻态的过程称为SET过程，其逆过程称为RESET过程。基于相变材料的存储技术被人们认为是下一代存储技术的有力竞争者之一。

相变材料的两态具有不同的质量密度，一般来讲，其晶态由于原子有序化排列其密度更高，体积更小。而其非晶态由于原子杂乱的无序堆积导致其密度更低，体积更大。我们将这种在晶化(非晶态到晶态)的过程中其密度由低(非晶态)到高(晶态)变化的相变材料称为正密度变化的材料，这种正密度变化的相变材料在所有相变材料中最为常见。质量一定的相变材料在两态转变的擦写过程中其体积反复增大减小，一定的擦写次数之后，相变存储器中有效相变区域的周围便会产生空间上的“空洞”(Njoroge W K,H W,Wuttig M.Density changes upon crystallization of Ge₂Sb_2.04Te_4.74 films[J].Journal of Vacuum ScienceTechnology A:Vacuum,Surfaces,and Films,2002,20(1):230-233.)。这些“空洞”导致相变材料与周围材料不再接触，导电通路被断开，器件失效。如果能够减小相变材料两态之间的密度变化率，则能够防止“空洞”产生，有利于提高器件的循环擦写次数。

另一方面，目前所使用的相变存储材料主要以GeTe、Sb₂Te₃及两者以一定的比例组成的匀质化合物合金材料Ge_xSb_2yTe_x+3y(x及y均为整数)为主。但一系列的研究表明，以超晶格相变材料作为功能材料的界面相变存储器(iPCM)在SET速度、RESET功耗以及循环擦写稳定性等方面均远超过使用传统功能材料的相变存储器(Simpson R E,Fons P,Kolobov AV,et al.Interfacial phase-change memory[J].Nature nanotechnology,2011,6(8):501.)。超晶格相变材料是两种不同组元的相变材料以几个纳米到十几个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上是特定形式的层状精细复合相变材料。由于超晶格相变存储材料是一种由两种相变材料交替堆叠而成的人工复合材料，与普通相变材料相比，其特性更易被人编辑、调控。目前，超晶格相变材料中的两种相变层材料同样具有两态密度变化大的特点，导致反复擦写过程中产生“空洞”，因此超晶格相变材料仍然存在多次循环擦写后器件失效的问题。

相变存储器件的循环擦写次数是其电学特性的一个重要指标，具有高循环擦写次数的低密度变化超晶格相变存储器适用于需要频繁交换数据的应用场景，其有望于取代计算机中的DRAM，从而深刻改变计算机目前的架构。

发明内容