[发明专利]一种高稳定性低功耗Hf-Ge-Sb纳米相变薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高稳定性低功耗Hf‑Ge‑Sb纳米相变薄膜及其制备方法与应用，纳米相变薄膜的化学通式为Hf_x(Ge₅Sb₉₅)_1‑x(0x0.3)；制备方法为通过磁控溅射法将Ge₅Sb₉₅合金材料及Hf材料在基片上进行纳米量级复合，以形成Hf_x(Ge₅Sb₉₅)_1‑x(0x0.3)纳米相变薄膜；所制备的纳米相变薄膜可用于制备相变存储器。与现有技术相比，本发明中的纳米相变薄膜对环境友好，不含有毒元素Te，具有较高的结晶温度和结晶激活能以及较大的晶态电阻，同时保持纳秒级的相变时间，有利于实现高稳定性低功耗存储的PCRAM。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，涉及一种高稳定性低功耗Hf-Ge-Sb纳米相变薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

大数据的发展和处理器核心数的不断增加对内存的速度、容量、功耗和可靠性提出了极高的需求。目前应用最广泛的非挥发性存储器是基于浮栅技术的闪存(Flashmemory)。随着内存技术继续发展，工艺尺寸进一步降低，电子的微观特性将越来越明显，加上器件本身的物理特性制约等因素，传统的内存技术在系统稳定性、数据可靠性等问题上将面临困境。鉴于上述情况，半导体公司都在研发继闪存之后的新型非挥发性存储器技术，如铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，Fe RAM)、磁性存储器(MagneticRandom Access Memory，MRAM)和相变存储器(Phase-change Random Access Memory，PCRAM)等。相比之下，PCRAM拥有较快的读写速度、低的功耗和高的可擦写次数。同时可能克服其它几种存储器所不能克服的困难：器件结构简单，尺寸较小，且容易按比例缩小，因此在提高存储密度上有很大的潜力。

相变存储器(PCRAM)是一种基于物质的相变来实现信息存储的新型非挥发性存储器，其原理主要利用硫系化合物在非晶和多晶两态时巨大的电阻差异作为数据“0”和“1”进行数据存储。在非晶态时材料表现为半导体特性，其电阻值高；在晶态时材料表现为半金属特性，其电阻值低。相变材料在电流热效应的作用下可以在非晶态与晶态之间可逆转换，从而实现数据的重复读写。从高阻态到低阻态的晶化过程被称为SET转变过程，从低阻态到高阻态的非晶化过程则被称为RESET转变过程。

在PCRAM中，相变材料的性能很大程度上决定了存储器的性能。存储器不断地向着高速、高密度、高稳定性、低功耗、低成本等方向发展，通常情况下，相变材料要满足的大多数重要条件如下：

1)结晶时间短：结晶过程对应于器件操作的SET过程，SET过程的操作时间决定了PCRAM的器件读写速度；

2)晶态和非晶态的阻值差异大：这是为了保证器件具有较高的数据分辨率及噪声容限，得到区分明显的逻辑态“0”和“1”；

3)非晶热稳定性高：材料的非晶态热稳定性越高，器件在一定温度下的数据保持能力越强，器件的可靠性越高；

4)相变前后体积变化率小：有助于提高器件可逆循环过程中的可靠性；

5)微缩性能好：这要求材料组分尽量简单，且材料性能对组分波动有较高的宽容度，并在纳米尺寸保持良好性能，以满足PCRAM对高密度和高可靠性的要求。