[发明专利]一种用于高温工况的类超晶格Zn-Sb/Ge-Sb纳米相变存储薄膜及其制备方法

说明书

一种用于高温工况的类超晶格Zn‑Sb/Ge‑Sb纳米相变存储薄膜，其特征在于，其结构通式为[Znsubgt;x/subgt;Sbsubgt;100‑x/subgt;(a)/Gesubgt;y/subgt;Sbsubgt;100‑y/subgt;(b)]subgt;n/subgt;，其中x和y表示原子百分比，且10x75，2y45，a和b分别表示单个周期中Znsubgt;x/subgt;Sbsubgt;100‑x/subgt;薄膜和Gesubgt;y/subgt;Sbsubgt;100‑y/subgt;薄膜的厚度，且1nma25nm，1nmb25nm，n为类超晶格结构相变薄膜的总周期数，且1n25。本发明制备的类超晶格相变薄膜的结晶温度、析晶活化能、数据保持力均高于Gesubgt;2/subgt;Sbsubgt;2/subgt;Tesubgt;5/subgt;相变材料，具有优秀的可调的热稳定性。同时，具有纳秒级的相变速度，相变过程中体积收缩率较小，有利于相变薄膜与上下电极的可靠充分接触，保证相变存储器具有良好的循环寿命。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种用于高温工况相变存储器的类超晶格Zn-Sb/Ge-Sb纳米相变存储薄膜的制备方法及应用。

背景技术

20世纪60年代末学者Ovshinsky提出奥弗辛斯基电子效应，即硫系化合物在热诱导作用下能发生有序的多晶态和无序的非晶态之间的转变，而这两种结构的差异导致电阻率有着显著的差异。从21世纪初开始，随着工业界的制备技术和工艺到达深亚微米甚至纳米尺度，硫系化合物展现出优异的阈值转换电学性能。相变存储器(PCRAM)中相变介质层的尺寸能缩小到纳米量级，材料发生相变所需的电压和电流大大降低，且制备工艺与已有CMOS相匹配，使得相变存储器技术进入到快速发展的阶段，成为下一代非易失性存储器(NVM)的有力竞争者。

单层Ge₂Sb₂Te₅是目前应用较为成熟的相变材料，但由于其晶化温度低(160℃)导致热稳定性弱。材料中的Te元素具有较低的熔化温度和较高蒸气压使得Te容易挥发和相分离，对材料组分和化学稳定性造成严重的影响。此外，Te原子的扩散引起Te会运动到上下电极或包覆层，导致相变材料元素分布的不均匀，从而成为进一步提高相变存储器可靠性和稳定性的障碍。研究表明，即使应用保护层也无法阻挡Te原子的迁移。Te元素的存在已经成为Ge₂Sb₂Te₅相变材料性能提升的枷锁。

类超晶格(SLL)相变薄膜是由两种不同的材料在基底上交替排列组成，其相变性能往往优于单层单一组分材料的相变性能。新加坡数据存储研究所T.C.Chong等人研究的基于Sb₂Te₃/GeTe类超晶格结构相变存储器具有更低的热导率和更快的擦写速度。使用不同相变材料形成类超晶格SLL结构，层与层之间存在大量的界面，由于界面效应的存在会诱导相变材料加速结晶。同时，界面的存在会引起声子散射，降低热导率，有利于提高薄膜的加热效率，降低RESET功耗。由于富Zn的Zn-Sb相变材料具有高的结晶温度和热稳定性，富Sb的Ge-Sb相变材料具有快的相变速度。选取Zn-Sb和Ge-Sb两种相变材料以类超晶格结构进行复合，实现两者的优势互补，通过调控类超晶格Zn-Sb/Ge-Sb相变存储薄膜的总厚度、界面数和厚度比等参数调节薄膜的相变性能，有望能实现高相变速度和高热稳定同时并举的纳米相变存储薄膜，可以应用于高温工况的航空电子、汽车电子等领域。

发明内容

为解决现有技术存在的单层富Zn的Zn-Sb相变材料相变速度不够快和富Sb的Ge-Sb相变材料热稳定不够高的缺陷利用结晶温度较高的富Zn的Zn-Sb相变材料和相变速度快的富Sb的Ge-Sb相变材料，通过磁控溅射的方法将两种相变材料进行多层纳米复合构成类超晶格结构。

本发明提供一种用于高温工况的类超晶格Zn-Sb/Ge-Sb纳米相变存储薄膜及其制备方法。