[发明专利]纳米复合堆叠锌锑-锗碲相变存储薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开一种纳米复合堆叠锌锑‑锗碲相变存储薄膜及其制备方法，该存储薄膜的总厚度为40‑60 nm，结构通式为ZnSb(a)/GeTe(b)，其中a和b分别表示ZnSb薄膜和GeTe薄膜的厚度，且1a49 nm，1b49 nm。本发明通过磁控溅射的方法对结晶温度高的Zn‑Sb材料和相变速度快的Ge‑Te材料进行交替溅射以制备出一种纳米复合堆叠相变存储薄膜，克服了单层相变材料各自的缺陷，实现优势互补后的纳米复合多层Zn‑Sb/Ge‑Te相变存储薄膜兼有热稳定性高和相变速度快的优点，且相变性能可以通过Zn‑Sb和Ge‑Te的厚度比及堆叠次序等参数进行进一步调控。

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堆叠锌锑-锗碲相变存储薄膜及其制备方法。

背景技术

相变存储器（PCRAM）的存储原理是基于物质原子结构实现信息的存储，它与传统的DRAM、FLASH等基于电荷存储的存储器有着本质的区别。PCRAM是一种不受工艺节点缩小限制的存储技术，相反地，随着工艺节点的缩小和工艺水平的进步，PCRAM的潜在性能才能更好的凸显。在DRAM和Flash等存储器因CMOS工艺节点缩小（Scaling）而遭遇瓶颈的境况下，PCRAM有望成为未来工艺节点减小形势下的最具竞争力的存储技术之一。当然，在现有的工艺技术条件下，PCRAM的大规模、有效化的市场化应用还面临着进一步提高速度、减小功耗、降低成本、提升容量等诸多挑战。

PCRAM器件性能主要取决于相变存储薄膜性能。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。但是，随着新兴应用市场的需求量的扩大，该类相变材料暴露出诸多缺点，如Ge₂Sb₂Te₅相变材料的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，因此，优化和开发相变存储材料成为PCRAM发展进程中的关键技术之一。

近些年，构造纳米复合多层结构成为优化和开发新型相变存储薄膜的有效手段。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：Applied PhysicsLetters，2006，88 (12)，p.122114）。主要应用不同相变材料形成纳米复合多层结构，利用层间的界面效应改善单一相变材料的相变性能，如结晶温度、相变速度、非晶态和晶态电阻率等，以获得综合性能优异的多层复合相变存储薄膜。

Zn-Sb合金薄膜具有高的相变温度，在高数据保持力PCRAM应用方面具有巨大的应用潜力（Zifang He： Materials Letters, 185 (2016), P. 399-102）。然而，热稳定性和相变速度是矛盾的两方面，即相变温度高的Zn-Sb合金有着较慢的相变速度，无法满足高速存储的需求。中国专利CN105514269B公开了一种纳米复合堆叠相变薄膜及其制备方法和应用，将 Ge₂Sb₂Te₅和ZnSb两种相变材料采用堆叠结构获得了具有中间态的相变薄膜。由于Ge₂Sb₂Te₅相变温度仅为160℃，从而使得堆叠相变薄膜的第一次相变温度偏低，均低于200℃，预示着其热稳定性不够高。中国专利CN103236495A公开了一种用于相变存储器的Sn-Ge-Te 薄膜材料及其制备方法，Ge-Te薄膜材料的相变温度约为200℃，其不足之处是单层结构比双层或多层结构材料拥有更大的热导率，预示着单层材料更高的操作功耗。