[发明专利]纳米复合多层氮化钛-锑信息功能薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开一种纳米复合多层氮化钛‑锑信息功能薄膜及其制备方法，该薄膜的总厚度为40‑60 nm，结构通式为[TiN(a)/Sb(b)]_n，其中，a和b分别表示单个周期中TiN薄膜和Sb薄膜的厚度，且1a25 nm，1b25 nm，n为纳米复合多层结构相变薄膜的总周期数，且1n25。本发明以TiN材料作为隔离层，通过磁控溅射的方法将其与具有快速相变性能的Sb相变材料在纳米尺度进行多层复合，构造出纳米复合多层TiN/Sb相变信息功能薄膜，该薄膜克服了单质Sb相变材料的缺陷，具有相变速度更快和热稳定性更好的优点。

技术领域

本发明涉及微电子材料技术领域，具体涉及一种用于相变存储器的纳米复合多层氮化钛-锑信息功能薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着IC工艺技术不断发展，IC器件单元的尺寸在不断缩小。传统的存储方式如SRAM、DRAM和Flash已经接近物理极限，难以向着高密度方向继续发展。相变存储器（PCRAM）作为新兴的半导体存储技术因具有读写速度快、操作功耗低、存储密度高以及与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。

众所周知，PCRAM器件的性能主要决定于信息功能薄膜的性能。目前已经被成功商业化应用的Ge₂Sb₂Te₅材料具有无法满足高速、低功耗相变存储器需要的缺陷。而提高相变材料相变速度的方法主要有：（1）单层相变材料通过掺杂外来元素进行改性；（2）设计双层堆叠结构相变材料；（3）构造纳米复合多层结构相变材料。

新加坡数据存储研究所T. C. Chong等人于2006年首次提出将GeTe/Sb₂Te₃多层材料应用于PCRAM的制备，获得当时世界上最快的相变存储单元（Chong, T. C：AppliedPhysics Letters，2006，88 (12)，p.122114）。此后，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。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CN105762277B公开了一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜及其制备与应用，由于相变材料SnSe₂高RESET态电阻使得其在电压脉冲作用下难以实现SET操作，且相变过程中较大的密度变化大大降低了材料的疲劳性能。现有技术中的相变存储材料均难以满足当今信息存储领域的发展需要。

经研究发现，单质Sb相变材料在常温下已结晶，其具有相变速度快的特性，但是其热稳定性非常差，这就决定了单质Sb难以作为信息功能薄膜直接应用于PCRAM中。因此，如能充分利用该材料相变速度快的优势，并通过一定方法对单质Sb相变材料进行改性以提升其热稳定性，将有望构造出一种既具有较高的热稳定性且具有较快的相变速度的新型纳米复合多层相变信息功能薄膜，可更好地适应微电子市场快速发展的需要，且能在汽车电子和航空电子等领域得到更大规模的应用，最大程度地提升该类材料的市场应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，利用粘附性能好、且不具相变性能的TiN材料作为隔离层，将其与具有快速相变性能的Sb相变材料在纳米尺度进行多层复合，构造出纳米复合多层TiN/Sb相变信息功能薄膜。与传统的Ge₂Sb₂Te₅相变材料相比，纳米复合多层TiN/Sb信息功能薄膜材料具有相变速度更快和热稳定性更好的优点。