一种高密度相变存储材料、相变存储器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高密度相变存储材料、相变存储器及其制备方法，所述相变存储材料包括：基底、缓冲层、超晶格相变材料层、介质隔离层。相变存储器包括上电极层、相变材料层以及下电极层。该相变存储器表现出稳定的多级电阻态与快速的擦写操作特性，有望满足存算一体和神经形态器件的应用需求。形态器件的应用需求。形态器件的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种高密度相变存储材料、相变存储器及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子集成电路领域，特别涉及一种高密度相变存储材料、相变存储器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能、云计算等信息技术的发展，对于海量数据的存储和处理能力要求不断增长。非易失性存储器拥有存储量大，读写速度快，多级存储等特点，有望代替动态随机存储器和闪存打破现有的计算机冯诺依曼体系，实现低能耗、高速的存算一体和神经形态计算存储架构。其中，相变存储器由于其操作速度快，功耗低，热稳定性高，微缩性好与现有CMOS工艺兼容等特点，是最具有潜力的下一代非易失性存储技术。
[0003]相变存储器具有硫系化合物的相转变特点，晶态和非晶态之间拥有30％左右的反射率变化或两个数量级以上的电阻差异。当将相变材料从晶态(低电阻，高反射率)转变到非晶态(高电阻，低反射率)时，需要通过电脉冲的焦耳热将相变材料加热至熔融状态后淬火。尽管相变存储器相对于DRAM具有更低的成本，立体堆叠可能性；相对于NAND具有更快的操作速度，更长的使用寿命；但其较低的存储密度限制了相变存储器应用在更多领域并成为真正可商业化的存储级内存(storageclassmemory)。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高密度相变存储材料、相变存储器及其制备方法，克服现有技术中相变存储器存储密度较低的缺点。
[0005]本专利技术提供一种多级电阻态的相变存储材料，所述相变存储材料由下到上依次包括：基底101、缓冲层102、超晶格相变材料层、介质隔离层105；其中超晶格相变材料层为掺杂的氮硫族化合物103与GeTe104交替沉积构成。
[0006]所述基底为硬质衬底或柔性衬底。
[0007]所述基底101为单晶硅、碳化硅、氮化镓、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种；所述介质隔离层105为氮化物介质材料层；所述氮化物介质材料为Si3N4。
[0008]所述缓冲层102为具有范德华结构的相变材料层；具有范德华结构的相变材料为具有六方晶向和范德华结构的，且具备高度(0 0 L)织构取向的氮硫族化合物材料。
[0009]所述缓冲层102为Sb2Te3，Bi2Te3，Bi2Se3中的一种或几种。
[0010]所述掺杂的氮硫族化合物103为具有范德华结构掺杂的氮硫族化合物材料，其中掺杂成分为化合物材料或单质过渡金属材料，氮硫族化合物材料为Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Se3中的一种或几种；
[0011]所述化合物材料为TiTe2；单质过渡金属材料为Mo、Ti中的至少一种。
[0012]所述超晶格相变材料层为(TiTe2)
x
(Sb2Te3)
y
‑
GeTe，Mo
x
(Sb2Te3)
y
–
GeTe中的至少一种；其中0<x<0.15；0.85<y<1。
[0013]所述缓冲层102厚度为1
‑
10nm；掺杂的氮硫族化合物103的厚度可为1
‑
5nm；GeTe材
料104的厚度为1
‑
5nm；介质隔离层厚度为5
‑
50nm。
[0014]所述的掺杂的氮硫族化合物103与GeTe104交替沉积构成的超晶格相变材料层，交替沉积周期为1
‑
50次。
[0015]本专利技术提供一种多级电阻态的相变存储材料的制备方法，包括：
[0016]在基底上沉积缓冲层，然后在缓冲层上交替沉积有掺杂的氮硫族化合物、GeTe形成超晶格相变材料层，最后沉积介质隔离层。
[0017]进一步地，多级电阻态的相变存储材料的制备方法，包括：
[0018]在制备超晶格相变材料层之前，首先要准备基底。使用酒精溶液、丙酮溶液依次在超声波中清洗，基底的材料可以是单晶硅、碳化硅、氮化镓等硬质衬底或者聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等柔性衬底。
[0019]基底准备清洗完成以后，需要对基底表面进行清洁，以消除基底表面的氧化层。随后在清洁完成后的基底上生长一层具有六方晶向且具有范德华结构的氮硫族化合物作为缓冲层。形成缓冲层的目的是便于后续超晶格结构的生长。缓冲层的材料可以是Sb2Te3等具有六方晶向且具有范德华结构的氮硫族化合物，以确保后续生长的薄膜能够保持良好的(0 0 L)织构取向。
[0020]完成缓冲层的沉积后，首先生长一层有范德华结构的掺杂的氮硫族化合物材料层。然后在有范德华结构的氮硫族化合物材料上再沉积一层GeTe材料层。有范德华结构的氮硫族化合物材料层的厚度可以在1
–
5nm范围内任意选择。然后使用前述的方法交替沉积有范德华结构的氮硫族化合物材料层与GeTe层，达到目标的循环周期数。沉积的方法可采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法中的一种。
[0021]完成交替沉积的有范德华结构的掺杂的氮硫族化合物材料层与GeTe层后，在同样的沉积环境下生长一层氮化物作为介质隔离层，作为相变材料的保护层。
[0022]所述的缓冲层和相变材料层可采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法中的一种沉积方法形成。
[0023]所述沉积时衬底温度为200
–
350℃，本底真空度小于或等于2
×
10
‑5帕，溅射气压范围为0.2
‑
1帕。
[0024]优选地，沉积温度为300℃。
[0025]本专利技术提供一种相变存储器，所述相变存储器依次包括：下电极层、所述相变存储材料层、上电极层。
[0026]本专利技术提供一种高密度相变存储器的制备方法，包括：
[0027](1)在基底上制备下电极层；
[0028](2)制备所述的相变材料层于步骤(1)中下电极层上；
[0029](3)制备上电极层于步骤(2)相变材料层上。
[0030]所述下电极层和上电极层的材料包括：W、WN、Ta、TaW、TiW、TiN、TiSiN、C中的一种。
[0031]下电极层和上电极层的制备方法包括理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法中的一种。
[0032]本专利技术提供一种所述相变存储器在高存储密度的非易失性存储器件中的应用。
[0033]本专利技术提供一种可用于高密度数据存储的具有多级电阻态的相变材料、相变存储器及其制备方法，通过在基底上生长缓冲层，并在缓冲层上交替沉积具有范德华结构的氮
硫族化合物材料与GeTe相变材料，得到具有多个电阻态且电阻差异明显的超晶格相变材料；进而通过制备上下电极和超晶格相变材料，多电阻态相变材料相比于传统相变材料，能够在一个单元内存储多个比特的数据，实现单位比特低操作功耗、高存储密度的非易失性存储器件。
[0034]有益效果
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级电阻态的相变存储材料，其特征在于，所述相变存储材料由下到上依次包括：基底(101)、缓冲层(102)、超晶格相变材料层、介质隔离层(105)；其中超晶格相变材料层为掺杂的氮硫族化合物(103)与GeTe(104)交替沉积构成。2.根据权利要求1所述材料，其特征在于，所述基底(101)为单晶硅、碳化硅、氮化镓、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种；所述介质隔离层(105)为氮化物介质材料层；所述氮化物介质材料为Si3N4。3.根据权利要求1所述材料，其特征在于，所述缓冲层(102)为具有范德华结构的相变材料层；具有范德华结构的相变材料为具有六方晶向和范德华结构的，且具备高度(0 0L)织构取向的氮硫族化合物材料。4.根据权利要求1所述材料，其特征在于，所述缓冲层(102)为Sb2Te3，Bi2Te3，Bi2Se3中的一种或几种。5.根据权利要求1所述材料，其特征在于，所述具有掺杂的氮硫族化合物(103)为具有范德华结构的掺杂的氮硫族化合物材料，其中掺杂成分为化合物材料或单质过渡金属材料，氮硫族化合物材料为Sb2Te3、Bi2Te3、Bi2Se3中的一种或几种；所述化合物材料为TiTe2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周夕淋，郑加，宋志棠，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：