一种相变异质结薄膜、相变存储器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种相变异质结薄膜、相变存储器及其制备方法与应用，一种相变异质结薄膜，结构通式为[Sb

【技术实现步骤摘要】
一种相变异质结薄膜、相变存储器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及微电子材料
，具体涉及一种相变异质结薄膜、相变存储器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着ChatGPT的问世和发展，爆发式增长的信息量对数据存储提出了新的巨大挑战。传统的SRAM、DRAM和Flash已经临近物理极限，阻碍着存储器朝着高密度和大容量方向发展。相变存储器(Phase Change Memory，简称PCM)作为一种新兴的半导体存储技术，具有读写速度快、操作功耗低、抗辐射能力强、与CMOS工艺兼容等优点，被认为是能够实现产业化应用的下一代非挥发性存储器的候选者，同时，PCM具有存储密度高的优点，使得其在神经形态计算应用方面有着广泛的应用潜力。
[0003]PCM器件的工作原理主要是利用相变薄膜的非晶态和多晶态的巨大电阻率差异来实现信息的存储。当前应用最为广泛的相变材料是基于伪二元GeTe
‑
Sb2Te3比例链上的合金薄膜材料，如Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4和Ge2Sb2Te5，特别是Ge2Sb2Te5组分综合性能最为杰出。将Ge2Sb2Te5加热到结晶温度时，Ge2Sb2Te5会形成面心立方结构或六方晶体结构；再将Ge2Sb2Te5将热导熔化温度(高于结晶温度)并快速降低到结晶温度以下，Ge2Sb2Te5来不及结晶从而形成非晶状态。然而，Ge2Sb2Te5存在着诸多不足，如SET速度不够快、操作功耗不够低、热稳定性不够高、循环次数不够多等，这些缺点使得Ge2Sb2Te5材料无法满足神经形态计算的应用要求。因此，开发新型相变存储介质成为PCM发展进程中的关键技术之一。
[0004]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多层材料的PCM器件，获得当时世界上最快的5ns相变存储单元(Chong,T.C：Applied Physics Letters，2006，88(12)，p.122114)。类超晶格结构中层与层之间存在着大量的界面，界面处的缺陷可能会成为晶化过程中的成核中心。同时，界面的存在会引起声子散射，导致类超晶格结构材料的热导率下降，有利于减小薄膜的RESET电流。这些为相变材料的优化提供了有效途径。中国专利CN104795494B公开了一种用于高速相变存储器的GeTe/Sb类超晶格相变薄膜材料，由于Te元素较低的熔化温度和较高的蒸气压使得Te容易挥发和相分离，从而严重影响器件工作可靠性和循环寿命。中国专利CN104934533B和CN105489758B分别公开了用于相变存储器的Ge/Sb和Si/Sb类超晶格相变薄膜材料，这两种类超晶格采用的是不具有相变性能的半导体Ge和Si材料。
[0005]Sb
‑
Te体系材料属于生长占优型的结晶机制，其最大的优点是相变速度快。由于晶态Sb2Te3材料属于菱方结构，它是由Te
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Sb
‑
Te
‑
Sb
‑
Te周期性堆叠而成，各堆叠层中原子之间以范德华力结合，能带带隙小(0.21eV)，晶化温度低(80～100℃)，非晶结构极易有序化，热稳定性差。同时，大的Sb2Te3晶粒尺寸导致材料在反复相变过程中容易产生空洞和应力等，工作可靠性差。这些因素使得单纯的Sb
‑
Te材料难以直接应用于PCM中。Ga
‑
Sb体系材料最大的有优点是热稳定性高。由于Ga
‑
Sb薄膜难以晶化，具有高的热稳定性能和较慢的相变速度，同时，Ga
‑
Sb材料熔点较高使得操作功耗较大，这些原因使得单纯的Ga
‑
Sb材料也很难以
直接应用于PCM中。

技术实现思路

[0006]为了克服单层Ga
‑
Sb和Sb
‑
Te相变材料无法实现多态存储的缺陷、以及单层Ga
‑
Sb相变材料相变速度慢和Sb
‑
Te相变材料热稳定性差的缺点，本专利技术旨在提供一种相变异质结薄膜、相变存储器及其制备方法与应用，利用热稳定性高的Ga
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Sb相变材料和相变速度快的Sb
‑
Te相变材料，通过调节Ga
‑
Sb薄膜和Sb
‑
Te薄膜的组分，以及Ga
‑
Sb、Sb
‑
Te薄膜的厚度比和周期数调控材料的相变特性，构建成相变异质结[Sb
x
Te5‑
x
(a)/Ga
y
Sb5‑
y
(b)]n
功能薄膜。与Ge2Sb2Te5材料相比较而言，相变异质结[Sb
x
Te5‑
x
(a)/Ga
y
Sb5‑
y
(b)]n
功能薄膜兼有多态存储、热稳定性高和相变速度快的优点。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]本专利技术提供了一种相变异质结薄膜，结构通式为[Sb
x
Te5‑
x
(a)/Ga
y
Sb5‑
y
(b)]n
，其中0.02<x<5，0.02<y<5，a和b分别表示单个周期中Sb
x
Te5‑
x
薄膜和Ga
y
Sb5‑
y
薄膜的厚度，且1<a<25nm，1<b<25nm，n为纳米复合多层结构相变薄膜的总周期数，且1<n<24，所述相变异质结薄膜的总厚度为10
‑
240nm。
[0009]本专利技术还提供了一种相变存储器，包括上述相变异质结薄膜。
[0010]本专利技术还提供了上述相变异质结薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]1)根据靶材Sb
x
Te5‑
x
和Ga
y
Sb5‑
y
的溅射速率、预制薄膜的厚度和周期要求设定溅射时间和溅射程序；
[0012]2)将基片旋转到Sb
x
Te5‑
x
靶位，开启Sb
x
Te5‑
x
溅射电源溅射Sb
x
Te5‑
x
薄膜，薄膜溅射完成后关闭Sb
x
Te5‑
x
交流溅射电源；
[0013]3)将基片旋转到Ga
y
Sb5‑
y
靶位，开启Ga
y
Sb5‑
y
溅射电源溅射Ga
y
Sb5‑
y
薄膜，薄膜溅射完成后关闭Ga
y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相变异质结薄膜，结构通式为[Sb
x
Te5‑
x
(a)/Ga
y
Sb5‑
y
(b)]
n
，其中0.02<x<5，0.02<y<5，a和b分别表示单个周期中Sb
x
Te5‑
x
薄膜和Ga
y
Sb5‑
y
薄膜的厚度，且1<a<25nm，1<b<25nm，n为纳米复合多层结构相变薄膜的总周期数，且1<n<24，所述相变异质结薄膜的总厚度为10
‑
240nm。2.一种相变存储器，包括权利要求1所述的一种相变异质结薄膜。3.权利要求1所述的一种相变异质结薄膜的制备方法，包括以下步骤：1)根据靶材Sb
x
Te5‑
x
和Ga
y
Sb5‑
y
的溅射速率、预制薄膜的厚度和周期要求设定溅射时间和溅射程序；2)将基片旋转到Sb
x
Te5‑
x
靶位，开启Sb
x
Te5‑
x
溅射电源溅射Sb
x
Te5‑
x
薄膜，薄膜溅射完成后关闭Sb
x
Te5‑
x
交流溅射电源；3)将基片旋转到Ga
y
Sb5‑
y
靶位，开启Ga
y
Sb5‑
y
溅射电源溅射Ga
y
Sb5‑
y
薄膜，薄膜溅射完成后关闭Ga
y
Sb5‑
y
交流溅射电源；4)重复上述1)、2)两步，直到完成相变异质结[Sb
x
Te5‑
x
(a)/Ga
y
Sb5‑
y
(b)...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴卫华，姜星辰，顾晗，朱小芹，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：