纳米复合相变材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米复合相变材料以及其制备方法。其特征在于：（１）纳米复合相变材料中具有相变能力的区域被不具备相变能力的稳定功能材料分散成尺寸为纳米量级的微小区域。（２）纳米复合相变材料中功能材料和相变材料层交替生长，功能材料层将各层相变材料层分隔开，形成多层结构。本发明专利技术还包含了纳米复合材料的制备方法与纳米加工的方法。功能材料的分散作用有效地限制了相变存储器件中相变材料的可逆相变区域，有效降低了晶粒尺寸；功能材料的存在又降低了复合材料的电导率和热导率，从而提高了器件的加热效率，降低了器件的功耗，并提升了数据保持能力和疲劳特性等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米复合相变材料、制备方法及其应用，属于微电子

技术介绍
目前应用前景比较明确的利用相变原理进行数据存储的存储器大致分为两类， 一类是己经商业化的多媒体数据光盘(DVD)，另一类是正处于研发 中的相变随机存储器。前者是借助相变前后非晶和多晶材料之间反射率的变 化来进行数据0和1的存储，而后者的存储建立在相变前后电阻率的差异上。在相变随机存储器(PCRAM， phase change random access memory) 中，第一个状态(即多晶状态)电阻率较低，第二个状态(即非晶状态)的电阻 率较高。可以设定高阻状态(非晶状态)为逻辑1，低阻状态(多晶状态) 为逻辑0。 PCRAM集高速、高密度、结构简单、成本低廉、抗辐照、非 易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代非易失性存储器的候选者， 有着广阔的市场前景，受到了全球各大半导体公司的强烈关注，PCRAM将 在不久的将来实现产业化。而在PCRAM研发中，作为存储媒介的相变材料的开发是研究的核心内 容，是提升存储器器件性能的关键手段之一。众所周知，随着结晶的过程， 相变材料的晶粒不断增大，但这种较大的晶粒与当前相变存储器(包括 PCRAM和DVD-RAM)研发中的尺寸不断降低的趋势是矛盾的，大晶粒的 出现对于PCRAM器件的可靠性有着负面的影响。即在高密度的PCRAM中， 应该尽量避免大晶粒的出现。所以有效降低晶粒的大小使其更加适合90 nm 以下CMOS工艺技术是目前PCRAM研发当中必须面对的问题。另一方面， 在PCRAM研发中为了降低相变存储器的功耗，目前可以通过以下几方面的 手段(1)降低加热电极与相变材料的接触面积；(2)提升电极和相变材料的电阻率，提升加热效率；(3)开发新结构和新的绝热材料，减少加热过程 中的热耗散；(4)研发新的相变材料，其中复合材料就是目前研究的方向之 一。此外，为了提升存储器件的数据保持能力、提升器件的疲劳特性，新型 相变材料的研究都是关键的手段之一。目前在PCRAM中用较多的相变材料是锗锑碲合金(Ge-Sb-Te)，如在相 变材料中复合其他功能材料，比如绝缘材料，使绝缘材料有效地将相变材料 隔离成小尺寸，将相变材料的相变限制在小区域内，由于小尺寸效应和绝缘 层包裹产生的保温效应，相变材料在更低的功耗下就能实现相变，同时由于 绝缘材料的隔离作用，相变材料的晶粒不易长大，抑制了进一步的结晶，有 效阻止了材料的电阻率随时间的下降速度，即提升了材料的数据保持能力。 而将相变材料限制在较小尺寸内，使其更加适合高密度下的PCRAM应用， 同时绝缘材料的包覆作用也助于抑制相变材料与电极的相互扩散，从而提升 器件的疲劳特性。综上所述，通过对相变材料进行所需功能材料的复合，提高材料的热稳 定性，降低器件相变过程中的功耗，提升器件疲劳特性，在不改变器件结构 的情况下，能够提升器件的速度、稳定性、数据保持能力和寿命，并同时降 低器件的编程功耗。
技术实现思路
本专利技术涉及纳米复合相变材料、制备方法和应用，其目的是提供一种高 性能的存储材料，以帮助改进相变存储器的器件性能。通过材料制备工艺的优化，在相变材料中有目的地引入其他功能材料， 并通过后续的工艺处理，使具有相变能力的区域被不具备相变能力的稳定功 能材料均匀分散隔离开，使相变材料可控地形成大小和形状可控的纳米量级 的微小区域。或功能材料层与相变材料层交替生长，功能材料层将相变材料 层分隔开，形成多层结构薄膜。由于功能材料的分散作用，限制了所制备出的材料中相变材料晶粒的长 大，使复合材料在可逆相变过程中参与相变的区域一直被限制在小区域内。 在引入了功能材料后，得到的复合材料既可保持原有的可逆相变特性，同时 又因为功能材料的存在提高了存储器编程过程中的加热效率，降低了编程功耗，复合材料的热稳定性和可靠性得到显著提升，编程速度也得到提升。此 外，由于功能材料的分散作用，显著减轻了不稳定的相变材料与电极之间的 扩散作用，提升了存储器的可靠性。所以，纳米复合相变材料是一种更加适 合存储器应用的存储介质。制备纳米复合材料的方法主要有(1)采用常规的半导体薄膜沉积工艺 (如溅射法、气相沉积法等)，通过沉积工艺的改进使材料中的复合材料区域 被功能材料有效分散，主要的手段包括衬底温度的调整，沉积气压、速率 的优化等；或(2)利用多层薄膜制备方法，分层沉积相变材料和功能材料， 更加有效地分散各层相变材料。同时对两种方法制备后的材料用优化后退火 条件进行热处理，在退火处理后，相变材料将更有效被分散成纳米尺寸小晶 粒。本专利技术还包括该种材料的纳米加工方法，采用常规的半导体工艺，采用 刻蚀方法对材料进行纳米图形的加工。 1.关于本专利技术提供的相变复合材料通过制备工艺的优化，实现相变材料与功能材料的复合，在保持材料的 相变特性的前提下，使相变材料被功能材料可控地均匀地分散成纳米尺度区 域(如图1所示)，使相变材料的相变行为被限制在纳米量级的小区域内。此 举可有效地降低相变材料的相变区域，抑制了相变材料晶粒的长大，较小的 晶粒有助于提升材料和器件的性能。此外，小晶粒相变材料能够解决高密度 下大的相变材料颗粒与小的加热电极之间的矛盾，使两者之间更加匹配，从而提升器件的可靠性(反之，晶粒较大的相变材料往往会降低PCRAM器件的可靠性)。功能材料的引入还阻止了相变材料的晶粒的持续长大，减缓了材 料电阻随时间的下降速度，提高了材料的数据保持能力。最后，功能材料如 果在复合材料中以绝热材料的形式出现(相对于相变材料具有更高的绝热 性)，那么将有效降低复合材料的电导率和热导率，电导率的下降提升了存储 器在编程过程中的加热效率，热导率的下降则大幅减少了编程过程中热量向 电极的扩散，所以都将有效降低相变过程中所消耗的功率，对于低功耗存储 器件的应用有较大意义。相变材料普遍不太稳定，它与电极之间的扩散较为 明显，而相变材料被功能材料隔离后，其与电极之间的扩散将显著降低，有 助于提升存储器的可靠性。2.制备和加工方法
本专利技术拟提供两种制备方法(1)利用目前常规的半导体薄膜沉积工艺 同时生长相变材料和功能材料，采用优化的制备工艺，通过衬底加温和后续 的退火处理将两者均匀分散；或(2)利用目前常规的半导体薄膜沉积工艺， 交替生长功能材料和相变材料多层薄膜，层与层的厚度在纳米尺度范围内， 随后在优化的条件下进行后续退火处理，使相变材料晶粒被功能材料均匀有 效分隔开。两种方法中，后续的退火温度在200和80(TC之间，时间为0.5 到24小时之间，退火气氛为真空、惰性气体。薄膜沉积过程中，衬底温度在 IO(TC和60(TC之间。纳米复合材料的加工工艺采用常规的半导体加工工艺，采用刻蚀方法形 成纳米图形。综上所述，本专利技术提供的纳米复合相变材料是采用一种或多种具有不同 特性的功能材料与相变材料进行复合，保持相变材料原有相变特性等同时， 通过功能材料与相变材料性能的取长补短，弥补单一材料的缺陷，从而提 升材料各方面的性能，以更加适合存储器的应用。具体地说① 所述的纳米复合相变材料中具有相变能力的区域被不具备相变能力 的稳定功能材料分散成尺寸为纳米量级的微小区域；② 纳米复合相变材料中功能材料和相变材料层交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米复合相变材料，其特征在于在所述的纳米复合相变材料中具有相变能力的区域被不具备相变能力的稳定功能材料分散成尺寸为纳米量级的微小区域；纳米复合相变材料中功能材料和相变材料层交替生长，功能材料层将各层相变材料层分隔开，形成多层结构。

【技术特征摘要】
1、一种纳米复合相变材料，其特征在于在所述的纳米复合相变材料中具有相变能力的区域被不具备相变能力的稳定功能材料分散成尺寸为纳米量级的微小区域；纳米复合相变材料中功能材料和相变材料层交替生长，功能材料层将各层相变材料层分隔开，形成多层结构。2、 按照权利要求1所述的纳米复合相变材料，其特征在于所述的功能材 料为介质材料、半导体材料、绝热材料。3、 按照权利要求1所述的纳米复合相变材料，其特征在于所述的相变材 料为具有可逆的相变特性的材料，所述的相变材料为锗锑碲合金、硅锑碲合金、锑碲合金、锑基相变材料或硫系化合物。4、 按照权利要求1或3所述的纳米复合相变材料，其特征在于所述的相 变材料相变前后，材料具有较大的电阻率差异，或有较大的光学反射率差异。5、 按照权利要求1所述的纳米复合相变材料，其特征在于相变材料被限 制在一个由功能材料包围的微小区域内，相变材料的晶粒尺寸为小于100 nm 直径的球体。6、 按照权利要求1所述的纳米复合相变材料，其特征在于功能材料层和 相变材料层形成的多层薄膜的各层的厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，张挺，刘波，刘卫丽，封松林，陈邦明，
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：31[中国|上海]