[发明专利]基于镓掺杂Ga3Sb8Te1相变存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的器件及其制备方法，具体是一种基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器(PCM)，顾名思义就是利用物质相的变化来达到信息存储目的的一种存储器。相变随机存储器由于具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐射、耐高低温、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，被认为最有可能取代目前的FLASH和DRAM而成为未来半导体存储器主流产品。

嵌入式相变存储阵列是由存储单元构成的，其存储单元由上下电极，相变材料和绝缘介质层构成。电极之间是相变材料，这也是整个相变存储单元的核心，该薄膜材料通常由硫系化合物(通常为GeSbTe，简单GST)薄膜来完成的。当需要改变器件存储的逻辑状态时(编程)，不同量级的电流经电极流过中间的硫系化合物合金，电极产生的焦耳热通过编程接触部分加热其周围的合金材料，以使之产生相应的晶化或非晶化相变，从而改变器件存储逻辑状态。相变材料与电极之间由介质材料作为保护隔离。现有的相变随机存储单元还存在很多缺陷，主要问题有：如何进一步减小存储单元的功耗，提高存储单元的热稳定性和循环擦写能力。

从目前的相变材料研究进展来看，传统相变材料Ge₂Sb₂Te₅或掺杂型GeSbTe材料是现有的相变材料的主流。但是这并不意味着它是的相变存储器最佳选择，所以探索适用于PCM的新型相变材料就显得非常必要，只有这样才能最大限度地发挥PCM存储器的优越性。

经对现有技术的文献检索发现，C.M.Lee，W.S.Yen，J.P.Chen，and T.S.Chin等人在2005年IEEE Trans.Magn.，vol.41，p.102(2005年IEEE学报杂志第41卷102页)发表了“Performances of phase-change recording disksbased on GaSbTe media”(基于GaSbTe媒介的相变光盘性能研究)，该文中提出GaSbTe相变材料的光学性质和在可重复读写光盘中的应用方法。具体方法是利用相变材料在光盘中可以由不同强度的光照获得不同的物质相，从而得到不同的存储信息，这是基于该材料的光学性质的。但是该文没有提出将GaSbTe材料应用到嵌入式相变存储单元，也没有给出应用到嵌入式相变存储单元的具体技术方案。GaSbTe相变材料除了具有独特的光学性质外，还具有特殊的热学和电学性质，检索中尚未发现GaSbTe相变材料在嵌入式相变随机存储器领域的相关研究和应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元及其制备方法。使其采用镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁作为相变存储单元的薄膜材料，在晶体和非晶状态下的电阻率差大，结晶温度和熔点比值较大，热稳定性较高，循环擦写能力最强，复位功耗较低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述基于镓掺杂相变存储单元包括：硅衬底、上下电极、加热层、相变材料和绝缘介质层，硅衬底上是下电极，下电极之上是第一绝缘介质层，第一绝缘介质层中央设有小孔，该小孔内填充有加热层，加热层上是第二绝缘介质层，第二绝缘介质层上设有沟槽，该沟槽内设有相变材料，上电极设置在第二绝缘介质层、相变材料之上。上电极与加热层之间是相变材料，这也是整个相变存储单元的核心，本发明中，所述相变材料为镓掺杂的硫系化合物Ga₃Sb₈Te₁。

GaSbTe材料是由Ga、Sb、Te三种原子构成的，当三种原子的比例不同时，材料的物理性质会呈一定规律而有所不同。通过研究发现，当镓的原子比在25％左右时，即Ga₃Sb₈Te₁相变材料在晶体和非晶状态下的电阻率差最大，结晶温度和熔点比值最大。此时该相变材料的热稳定性较高，循环擦写能力最强，复位功耗较低，适合作为嵌入式相变存储单元相变材料。

本发明上述基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其步骤如下：

第一步，在硅衬底上淀积一层下电极材料，形成下电极；