相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器技术

本发明专利技术提供一种相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器，相变薄膜包括：至少一层Ge‑Sb‑Te层；至少一层C层；至少一层界面层，界面层位于相邻的Ge‑Sb‑Te层与C层之间并与二者相接触，界面层的成分包括C掺杂的Ge‑Sb‑Te。本发明专利技术的界面层，通过诱导部分C原子扩散进入Ge‑Sb‑Te层纳米层并取代Ge‑Sb‑Te层中的部分的Ge、Sb、Te元素，从而在界面形成有序、稳定的C掺杂Ge‑Sb‑Te结构。此外，体系仍然具有超晶格体系特点，从而可以基于其有效的调控得到的相变薄膜材料的相变性能，相变薄膜体系可调控出两态或三态等的存储特性，本发明专利技术所提供的超晶格结构相变薄膜可应用于相变存储器中，具有结晶温度可调、晶态电阻以及多态存储等特点。

【技术实现步骤摘要】
相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器
本专利技术属于相变存储
，特别是涉及一种相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器。
技术介绍
随着计算机的普及和大数据时代的到来，存储器在半导体市场占据了重要地位。存储器的研究一直稳步朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。Ge-Sb-Te系材料，如Ge2Sb2Te5，是目前大家公认的研究最多、最为成熟的相变材料，极为符合商用存储器的需求。但是，Ge2Sb2Te5等目前仍然有许多问题亟待解决，如熔点过高、结晶温度和晶态电阻较低以及难以实现多态存储等，使得其数据稳定性相对较差、存储速率较慢、能耗较高，这些问题阻碍了其进一步的产业化。因此，如何提供一种相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器以解决现有技术中的上述问题实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器，用于解决现有技术中相变材料薄膜相变温度、结晶温度、晶态电阻以及阻态稳定性等不理想以及难以实现多态存储等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种相变薄膜，所述相变薄膜包括：至少一层Ge-Sb-Te层；至少一层C层；以及至少一层界面层，所述界面层位于相邻的所述Ge-Sb-Te层与所述C层之间并与二者相接触，且所述界面层的成分包括C掺杂的Ge-Sb-Te。作为本专利技术的一种可选方案，所述相变薄膜包括设置至少两层C层以及设置至少两层Ge-Sb-Te层中的至少一种，且所述C层与所述Ge-Sb-Te层交替排布。作为本专利技术的一种可选方案，所述C掺杂的Ge-Sb-Te中包括C-Ge键、C-Sb键以及C-Te键；所述Ge-Sb-Te层包括Ge2Sb2Te5层；所述相变薄膜在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。作为本专利技术的一种可选方案，所述界面层相对于所述Ge-Sb-Te层的相对厚度基于所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度和与所述C层的厚度的比设置。作为本专利技术的一种可选方案，所述C层的厚度介于0.2nm-2nm之间，所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和介于5nm-15nm之间，所述相变薄膜的厚度小于200nm。作为本专利技术的一种可选方案，所述C层的厚度小于等于1nm，且所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和大于等于8nm，所述相变薄膜在电脉冲作用下存在两个稳定的电阻态；或者，所述C层的厚度小于等于1nm，且所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和小于8nm，所述相变薄膜在电脉冲作用下存在三个稳定的电阻态。本专利技术还提供一种相变薄膜的制备方法，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任意一种制备如上述任一项方案所述的相变薄膜。作为本专利技术的一种可选方案，采用磁控溅射法，在氩气环境下，基于C靶材和Ge-Sb-Te靶材交替溅射的方式制备所述相变薄膜，其中，所述C靶材形成的C形成所述C层，且基于所述C靶材形成的C向基于所述Ge-Sb-Te靶材形成的Ge-Sb-Te初始层扩散形成所述界面层，剩余的所述Ge-Sb-Te初始层构成所述Ge-Sb-Te层。作为本专利技术的一种可选方案，所述Ge-Sb-Te靶材包括Ge2Sb2Te5靶材；所述Ge2Sb2Te5靶材溅射背景真空度高于1×10-4pa，溅射功率介于20W-40W之间，氩气的气体流量介于15sccm-40sccm之间，溅射气压介于0.2Pa-0.5Pa之间；所述C靶材溅射背景真空度高于1×10-4pa，溅射功率介于40W-90W之间，氩气的气体流量介于15sccm-40sccm之间，溅射气压介于0.2Pa-0.5Pa之间。本专利技术还提供一种相变存储单元，所述相变存储单元包括：如上述任一项方案所述的相变薄膜；下电极层，位于所述相变薄膜的下方；以及上电极层，位于所述相变薄膜的上方。作为本专利技术的一种可选方案，所述相变存储单元还包括介质层，所述介质层至少位于所述相变薄膜的外围；所述相变存储单元还包括衬底结构，所述衬底结构位于所述下电极层与所述相变薄膜之间；所述上电极层的材料包括Al、W及TiN中的至少一种，所述下电极层的材料包括Al、W及TiN中的至少一种，所述介质层的材料包括SiO2及Si3N4中的至少一种。本专利技术还提供一种相变存储单元的制备方法，所述制备方法包括：提供形成有下电极层的衬底结构；于所述衬底结构远离所述下电极层的一侧形成介质层；于所述介质层中形成沉积孔，且所述沉积孔显露所述衬底结构；于所述沉积孔中形成相变薄膜，其中，所述相变薄膜采用如上述任意一项方案所述的相变薄膜的制备方法制备得到；以及于所述相变薄膜上制备上电极层。本专利技术还提供一种相变存储器，所述相变存储器包括如上述任意一项方案所述的相变存储单元。如上所述，本专利技术的相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器，形成所述界面层，通过诱导部分C原子扩散进入Ge-Sb-Te层纳米层并取代Ge-Sb-Te层中的部分的Ge、Sb、Te元素，从而在界面形成有序、稳定的C掺杂Ge-Sb-Te结构。此外，体系仍然具有超晶格体系特点，从而可以基于其有效的调控得到的相变薄膜材料的相变性能，相变薄膜体系可调控出两态或三态等的存储特性，本专利技术所提供的超晶格结构相变薄膜可应用于相变存储器中，具有结晶温度可调、晶态电阻以及多态存储等特点。附图说明图1显示为本专利技术实施例一提供的一种相变薄膜的结构示意图。图2显示为本专利技术实施例一提供的另一种相变薄膜的结构示意图。图3显示为Ge2Sb2Te5-C超晶格相变薄膜材料及单层Ge2Sb2Te5的温度与电阻的关系图。图4显示为Ge2Sb2Te5-C超晶格相变薄膜材料及单层Ge2Sb2Te5的退火后X射线衍射图谱。图5显示为Ge2Sb2Te5-C超晶格相变薄膜材料及单层Ge2Sb2Te5的退火后的拉曼光谱。图6显示为基于Ge2Sb2Te5-C超晶格相变薄膜材料的[GST(7nm)/C(1nm)]10的相变存储器单元的电阻—电压的关系。图7显示为基于Ge2Sb2Te5-C超晶格相变薄膜材料的[GST(9nm)/C(1nm)]8的相变存储器单元的电阻—电压的关系。图8显示为本专利技术实施例二提供的相变存储单元制备中提供衬底结构的示意图。图9显示为本专利技术实施例二提供的相变存储单元制备中形成介质层及沉积孔的示意图。图10显示为本专利技术实施例二提供的相变存储单元的结构示意图。元件标号说明100相变薄膜101C层102Ge-Sb-Te层103界面层104生长衬底200衬底结构201下电极层202上电极层203介质层203a沉积孔具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相变薄膜，其特征在于，所述相变薄膜包括：至少一层Ge‑Sb‑Te层；至少一层C层；以及至少一层界面层，所述界面层位于相邻的所述Ge‑Sb‑Te层与所述C层之间并与二者相接触，且所述界面层的成分包括C掺杂的Ge‑Sb‑Te。

【技术特征摘要】
1.一种相变薄膜，其特征在于，所述相变薄膜包括：至少一层Ge-Sb-Te层；至少一层C层；以及至少一层界面层，所述界面层位于相邻的所述Ge-Sb-Te层与所述C层之间并与二者相接触，且所述界面层的成分包括C掺杂的Ge-Sb-Te。2.根据权利要求1所述的相变薄膜，其特征在于，所述相变薄膜包括设置至少两层C层以及设置至少两层Ge-Sb-Te层中的至少一种，且所述C层与所述Ge-Sb-Te层交替排布。3.根据权利要求1所述的相变薄膜，其特征在于，所述C掺杂的Ge-Sb-Te中包括C-Ge键、C-Sb键以及C-Te键；所述Ge-Sb-Te层包括Ge2Sb2Te5层；所述相变薄膜在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。4.根据权利要求1所述的相变薄膜，其特征在于，所述界面层相对于所述Ge-Sb-Te层的相对厚度基于所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和与所述C层的厚度的比设置。5.根据权利要求1所述的相变薄膜，其特征在于，所述C层的厚度介于0.2nm-2nm之间，所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和介于5nm-15nm之间，所述相变薄膜的厚度小于200nm。6.根据权利要求1所述的相变薄膜，其特征在于，所述C层的厚度小于等于1nm，且所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和大于等于8nm，所述相变薄膜在电脉冲作用下存在两个稳定的电阻态；或者，所述C层的厚度小于等于1nm，且所述Ge-Sb-Te层和与所述Ge-Sb-Te层相接触的所述界面层的厚度之和小于8nm，所述相变薄膜在电脉冲作用下存在三个稳定的电阻态。7.一种相变薄膜的制备方法，其特征在于，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任意一种制备如权利要求1-6中任一项所述的相变薄膜。8.根据权利要求7所述的相变薄膜的制备方法，其特征在于，采...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，郑龙，宋三年，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31