一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质制造技术

本发明专利技术一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质。GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质包含至少一个Bi2Te3层和GeTe材料层叠放单元，相邻单元间Bi2Te3层和GeTe材料层交替排布；Bi2Te3层厚度范围为10～50埃，GeTe层厚度范围为10～25埃；Bi2Te3层包括若干Bi2Te3单元，相邻Bi2Te3单元间通过van der waals作用结合。Bi2Te3/GeTe超晶格结构的应用能更有效降低相变存储器器件功耗。

A GeTe/Bi for low power phase change memory

The invention relates to a GeTe/Bi for low power phase change memory

【技术实现步骤摘要】
一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质
本专利技术涉及一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质。技术背景相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。相变存储器利用操作信号产生焦耳热对相变材料进行操作，使其在不同的相之间进行转变，从而体现出高低电阻值差异，进而完成对信息的存储。相变存储器由于其操作速度快，数据保持力好，循环操作能力强，与传统CMOS工艺兼容，并且在小尺寸时仍能保持其操作性能，所以被认为是最有希望的下一代非挥发性存储器之一。随着器件尺寸的缩小，低功耗仍是现在相变存储器研究的热点和难点。2011年Simpson提出了界面相变存储器概念。信息存储通过界面处原子结构变化完成，这个结构变化是一个固态相变过程。相比传统的相变存储器存储介质需要将存储介质熔化淬火进行信息写入，固态相变涉及的原子变化数目少，并不需要将材料熔化，使信息写入所需的能量大幅减小。所以界面存储器所需的操作信号相比传统相变存储器，具有电压低电流小的特点。同时由于相变存储介质在信号擦写过程中避免了熔化这一高温过程，存储介质内元素扩散得到改善，存储器件的使用寿命得到大幅提升。相变存储器过大的操作电流是限制其广泛应用的主要因素，对存储单元对应的晶体管电流驱动能力提出挑战。界面存储器的操作电流小这一特点能有效解决这一问题。对界面存储器低功耗的理解随着科学研究的深入而逐渐清晰。界面存储器按存储介质的结构精细程度分类超晶格存储器和超晶格存储器。类超晶格存储器的存储介质由多层相变材料组成，由于界面的存在，材料的热导率降低，提高了存储介质的热效率，从而使存储器的功耗降低。但是类超晶格结构存储介质每层材料包含几十层上百层原子，数据写入仍需经过材料熔化过程，所有原子排布重新调整。其优势主要来源于引入多个界面导致的热效率提高，从而降低了操作信号所需的能量。超晶格存储器的存储介质以原子层为单位的人为设计排布为基础，异质界面两边只能允许有限的晶格常数差异，材料沉积过程趋近外延生长。经过特定排布的原子层在界面处的原子可以在能量激发下进行结构调整，调整前后材料整体能体现出明显的电阻差异，可以用于信息存储。而界面外的材料保持稳定结构，从而数据的擦写并不需要材料的熔化。有限数量的原子结构调整减少了所需的激发能量，从而降低操作信号所需能量。
技术实现思路
本专利技术针对现有传统相变存储器及超晶格相变存储器的现状，提出了一种低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质。怎样进一步降低超晶格相变存储器的功耗是目前相变研究领域的焦点问题。其中一种方式是对界面外的材料的调整。界面外的材料虽然不直接参与原子结构调整，但是能影响界面处原子的结构调整的难易程度。其中一个影响因素是应力。由于异质界面的晶格匹配差异，界面两侧材料都受到对方施加的应力。而研究表明应力越大，界面处原子结构调整越容易发生。目前相变存储器中最常见的超晶格结构为Sb2Te3/GeTe超晶格结构，其晶格适配为2.45％(Sb2Te3晶格常数a＝4.264埃，GeTe晶格常数a＝4.162埃)。已经有研究人员通过调整材料发现Sb2Te/GeTe超晶格材料具有更低的功耗需求，其晶格适配度为2.59％(Sb2Te晶格常数a＝4.27埃，GeTe晶格常数a＝4.162埃)。本专利提出用Bi2Te3/GeTe超晶格结构为存储介质，其晶格失配为5.24％(Bi2Te3晶格常数a＝4.38埃，GeTe晶格常数a＝4.162埃)。Bi2Te3/GeTe超晶格结构的应用能更有效降低相变存储器器件功耗。要使Bi2Te3/GeTe超晶格结构应用的相变存储器体现出低功耗性能，需要注意以下关键点：1.Bi2Te3/GeTe超晶格结构的尺寸。超晶格结构中Bi2Te3和GeTe材料层交替排布。Bi2Te3层厚度范围10-50埃。GeTe层厚度范围10-25埃。Bi2Te3层是若干Te-Bi-Te-Bi-Te五层原子结构组成的，这五层原子是一个整体，为一个Bi2Te3单元，厚度约为10埃。所以Bi2Te3层的厚度最小值为一个Bi2Te3单元的厚度，约为10埃。相邻的Bi2Te3单元之间通过vanderwaals作用(范德瓦尔斯作用)结合。随着Bi2Te3层中Bi2Te3单元的增加，界面所占比例减小，材料更接近体材料，超晶格所带来性能优势减弱。所以Bi2Te3层应控制在五个Bi2Te3单元以下，约50埃。制备过程中不排除会使用较厚的Bi2Te3，GeTe或者Sb2Te3等材料层作为材料沉积的缓冲层(缓冲Bi2Te3或者GeTe材料与基板的晶格失配)。所以本专利人为存储介质中包含一个Bi2Te3/GeTe循环即属于本专利描述的Bi2Te3/GeTe超晶格结构，无论是否在存储介质中引入了其他厚度或者是材质的材料。2.Bi2Te3/GeTe超晶格结构的制备。Bi2Te3/GeTe超晶格结构的制备可以通过物理汽相淀积，化学气相沉积，分子束外延沉积。通过控制制备条件，制备出的Bi2Te3层和GeTe层均处于晶态且界面清晰，无元素相互扩散。相变存储芯片制备过程中，在Bi2Te3/GeTe超晶格结构制备完成后的各项工艺中，应避免低芯片施加过高温度。过高温度会使界面内外的原子进行结构调整，对界面造成不可逆破坏。应将施加温度控制在500℃以下。3.Bi2Te3/GeTe超晶格结构的使用。基于Bi2Te3/GeTe超晶格结构的相变存储器擦写操作的信号应控制在合理范围，操作信号提供的能量能使界面原子结构调整，但不能过高导致界面外原子结构调整，导致对超晶格结构造成不可逆的破坏。具体信号强度根据器件结构和尺寸不同而有差异。作为优选，电脉冲信号电压范围为0.5～4.0V。本专利技术主要有益效果是通过设计、制备并测试Bi2Te3/GeTe超晶格相变存储器，证实相变存储器功耗由于采用本专利技术提到的超晶格结构而体现出低功耗的优点，解决了传统相变存储器的操作电流过大这一瓶颈问题。附图说明图1Bi2Te3/GeTe超晶格结构示意图。图左侧为原子结构示意图，图中以四层Ge，Te原子为一层GeTe材料层，以四个Bi2Te3单元为一层Bi2Te3层(20层原子)。右图为层状薄膜结构，A为GeTe材料层厚度，约10-25埃。C为Bi2Te3层厚度，约10-50埃。A+C为一个循环，整个Bi2Te3/GeTe超晶格结构包含多个A+C循环。图2Bi2Te3/GeTe超晶格结构器件在20ns电压脉冲下的操作结果。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的分析。1.Bi2Te3/GeTe超晶格结构制备具体制备方式这里列举Bi2Te3/GeTe超晶格结构的磁控溅射物理汽相淀积法制备方法。为了形成高质量的外延性异质界面，Bi2Te3和GeTe层的制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi

【技术特征摘要】
1.一种用于低功耗相变存储器的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质，其特征在于包含至少一个Bi2Te3层和GeTe材料层叠放单元，相邻单元间Bi2Te3层和GeTe材料层交替排布；所述的Bi2Te3层厚度范围为10～50埃，GeTe层厚度范围为10～25埃；所述的Bi2Te3层包括若干Bi2Te3单元，其中Bi2Te3单元为Te-Bi-Te-Bi-Te五层原子结构；相邻Bi2Te3单元间通过vanderwaals作用结合。2.如权利要求1所述的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质，其特征在于Bi2Te3单元厚度约为10埃。3.如权利要求1所述的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质，其特征在于还包含其他材质的材料，作为材料沉积的缓冲层。4.如权利要求1所述的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质，其特征在于还包含其他厚度Bi2Te3层，作为材料沉积的缓冲层。5.如权利要求1所述的GeTe/Bi2Te3超晶格结构存储介质，其特征在于Bi2Te...

【专利技术属性】
技术研发人员：任堃，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33