[发明专利]纳米复合相变材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合相变材料、制备方法及其应用，属于微电子技术领域。

背景技术

目前应用前景比较明确的利用相变原理进行数据存储的存储器大致分为两类，一类是已经商业化的多媒体数据光盘(DVD)，另一类是正处于研发中的相变随机存储器。前者是借助相变前后非晶和多晶材料之间反射率的变化来进行数据“0”和“1”的存储，而后者的存储建立在相变前后电阻率的差异上。

在相变随机存储器(PCRAM，phase change random access memory)中，第一个状态(即多晶状态)电阻率较低，第二个状态(即非晶状态)的电阻率较高。可以设定高阻状态(非晶状态)为逻辑“1”，低阻状态(多晶状态)为逻辑“0”。PCRAM集高速、高密度、结构简单、成本低廉、抗辐照、非易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代非易失性存储器的候选者，有着广阔的市场前景，受到了全球各大半导体公司的强烈关注，PCRAM将在不久的将来实现产业化。

而在PCRAM研发中，作为存储媒介的相变材料的开发是研究的核心内容，是提升存储器器件性能的关键手段之一。众所周知，随着结晶的过程，相变材料的晶粒不断增大，但这种较大的晶粒与当前相变存储器(包括PCRAM和DVD-RAM)研发中的尺寸不断降低的趋势是矛盾的，大晶粒的出现对于PCRAM器件的可靠性有着负面的影响。即在高密度的PCRAM中，应该尽量避免大晶粒的出现。所以有效降低晶粒的大小使其更加适合90nm以下CMOS工艺技术是目前PCRAM研发当中必须面对的问题。另一方面，在PCRAM研发中为了降低相变存储器的功耗，目前可以通过以下几方面的手段：(1)降低加热电极与相变材料的接触面积；(2)提升电极和相变材料的电阻率，提升加热效率；(3)开发新结构和新的绝热材料，减少加热过程中的热耗散；(4)研发新的相变材料，其中复合材料就是目前研究的方向之一。此外，为了提升存储器件的数据保持能力、提升器件的疲劳特性，新型相变材料的研究都是关键的手段之一。

目前在PCRAM中用较多的相变材料是锗锑碲合金(Ge-Sb-Te)，如在相变材料中复合其他功能材料，比如绝缘材料，使绝缘材料有效地将相变材料隔离成小尺寸，将相变材料的相变限制在小区域内，由于小尺寸效应和绝缘层包裹产生的保温效应，相变材料在更低的功耗下就能实现相变，同时由于绝缘材料的隔离作用，相变材料的晶粒不易长大，抑制了进一步的结晶，有效阻止了材料的电阻率随时间的下降速度，即提升了材料的数据保持能力。而将相变材料限制在较小尺寸内，使其更加适合高密度下的PCRAM应用，同时绝缘材料的包覆作用也助于抑制相变材料与电极的相互扩散，从而提升器件的疲劳特性。

综上所述，通过对相变材料进行所需功能材料的复合，提高材料的热稳定性，降低器件相变过程中的功耗，提升器件疲劳特性，在不改变器件结构的情况下，能够提升器件的速度、稳定性、数据保持能力和寿命，并同时降低器件的编程功耗。

发明内容

本发明涉及纳米复合相变材料、制备方法和应用，其目的是提供一种高性能的存储材料，以帮助改进相变存储器的器件性能。

通过材料制备工艺的优化，在相变材料中有目的地引入其他功能材料，并通过后续的工艺处理，使具有相变能力的区域被不具备相变能力的稳定功能材料均匀分散隔离开，使相变材料可控地形成大小和形状可控的纳米量级的微小区域。或功能材料层与相变材料层交替生长，功能材料层将相变材料层分隔开，形成多层结构薄膜。

由于功能材料的分散作用，限制了所制备出的材料中相变材料晶粒的长大，使复合材料在可逆相变过程中参与相变的区域一直被限制在小区域内。在引入了功能材料后，得到的复合材料既可保持原有的可逆相变特性，同时又因为功能材料的存在提高了存储器编程过程中的加热效率，降低了编程功耗，复合材料的热稳定性和可靠性得到显著提升，编程速度也得到提升。此外，由于功能材料的分散作用，显著减轻了不稳定的相变材料与电极之间的扩散作用，提升了存储器的可靠性。所以，纳米复合相变材料是一种更加适合存储器应用的存储介质。

制备纳米复合材料的方法主要有：(1)采用常规的半导体薄膜沉积工艺(如溅射法、气相沉积法等)，通过沉积工艺的改进使材料中的复合材料区域被功能材料有效分散，主要的手段包括：衬底温度的调整，沉积气压、速率的优化等；或(2)利用多层薄膜制备方法，分层沉积相变材料和功能材料，更加有效地分散各层相变材料。同时对两种方法制备后的材料用优化后退火条件进行热处理，在退火处理后，相变材料将更有效被分散成纳米尺寸小晶粒。