[发明专利]三明治结构锑硒-锑-锑硒纳米复合多层相变薄膜及其制备和应用

说明书

本发明公开一种三明治结构锑硒‑锑‑锑硒纳米复合多层相变薄膜及其制备和应用，薄膜的总厚度为40‑60 nm，结构通式为SbSe(a)/Sb(b)/SbSe(a)，其中a和b分别表示SbSe薄膜和Sb薄膜的厚度，且17≤a≤24.5 nm，1≤b≤16 nm。本发明通过磁控溅射的方法在SbSe相变材料中穿插一层Sb相变材料，构成三明治结构相变存储薄膜，利用材料各自的优势，使得该三明治结构SbSe/Sb/SbSe相变存储薄膜具有热稳定性高、相变速度快、非晶态电阻和高低电阻合适的特征。

技术领域

本发明涉及微电子材料技术领域，具体涉及一种三明治结构锑硒-锑-锑硒纳米复合多层相变薄膜及其制备和应用。

背景技术

随着电子市场对存储产品需求的持续增长，存储器的地位日益突出。为了适应功能镶嵌型集成电路发展需要，人们希望未来的存储器兼具读写速度快、操作功耗低、存储容量大等特性。当半导体工艺技术节点继续推进至45 nm以下时，DRAM的发展受到了光刻精度的制约，Flash的发展受到了电容的影响。在系统级集成电路中，芯片总面积逐步减小，而存储器所占比例却在不断增大。因此，研发高存取速度、高存储密度、低操作功耗的新型存储器势在必行。其中，相变存储器（PCRAM）不仅在非易失性、高速、低耗、大容量等方面具有很大的优势，而且其存储单元面积小、微缩能力强，成为未来可替代DRAM和Flash的候选存储器。

相变存储器（PCRAM）是利用相变材料在电脉冲操作下实现晶态和非晶态转换来达到电阻值的逻辑区分。PCRAM性能的优劣与相变材料性能的好坏密不可分，PCRAM性能优劣主要体现在数据保持力、存储速度、操作功耗、存储容量等方面，要想获得高数据保持力、高存储速度、低操作功耗、大存储容量的PCRAM，就要开发出具有高相变温度、快结晶速度、低操作电流等特征的新型相变材料。

传统地相变存储材料Ge₂Sb₂Te₅已被成功应用于手机、平板等消费性电子领域，然而， Ge₂Sb₂Te₅材料很难在50 ns内实现快速结晶，同时，620℃的熔化温度使得其RESET功耗偏高，而且材料中含有Te元素，Te元素的易挥发性容易造成相分离，且Te元素具有毒性，会污染环境和半导体工艺。上述不足之处使得Ge₂Sb₂Te₅材料难以胜任未来高速、低功耗、大容量PCRAM的发展需要。为此，研究人员通过掺杂改性和构造多层结构的方式来优化和开发新型相变存储材料。其中，类超晶格相变材料是指将不同性能的相变材料在纳米尺度进行多层复合，实现两种材料的取长补短，获得综合性能优异的相变材料。新加坡数据存储研究所T. C. Chong等人于2006年首次提出基于GeTe/Sb₂Te₃类超晶格结构相变存储器，获得了当时世界上最快的相变存储单元（Chong, T. C：Applied Physics Letters，2006，88 (12)，p.122114）。

中国专利CN101488558A公开了一种用于相变存储器的M-Sb-Se相变薄膜材料，通过在SbSe材料中掺入钨、铝、铟、银、铜、镍、镓、钛、锡、氧及氮元素，获得热稳定性高的单层结构相变材料。中国专利CN108365088A公开了一种用于相变存储器的SbSe/Sb多层相变薄膜材料及其制备方法，将Sb₇₀Se₃₀和Sb进行多个周期的复合，获得了多层（偶数层）结构的相变材料。然而该材料较多的界面使得材料经过多次晶化和非晶化过程后面临着界面扩散的弊端，从而大大降低了器件的循环性能。