[发明专利]一种低热导率的多层相变材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体存储器的记录材料，具体涉及一种低热导率的多层相变材料。

背景技术

随着信息产业技术的迅速发展，人们对存储器的要求越来越高，常用的存储器分为以下三种：磁存储器、光存储器和半导体存储器，其中半导体存储器以其优良的性能被最为广泛地使用。目前主流的半导体存储器是基于浮栅结构的闪存，但由于浮栅厚度的限制其很难随着集成电路技术的进一步发展而突破32nm瓶颈，因而人们开始竞相研发以相变存储器为代表的下一代存储器。

相变存储器(PCRAM)是一种非易失性的半导体存储器，它利用电脉冲的热效应使记录材料在晶态和非晶态之间可逆转变，并由材料在两态下电阻值的巨大差异来存储数据，其中记录材料由硫系化合物为主的薄膜相变材料组成，其晶态为低阻态，代表数据位“1”；非晶态为高阻态，代表数据位“0”，相变材料从非晶态向晶态转变所需要达到的温度称为晶化温度，相变材料从晶态向非晶态转变所需要达到的温度称为熔化温度。

自问世以来，相变存储器以其非易失性、与CMOS工艺兼容、高速、抗辐射、廉价、使用寿命长的优良特性而倍受关注，国际半导体工业协会认为其最有可能取代闪存和动态随机存储器等目前主流产品而成为未来存储器的主流产品。但是随着相变存储器单元尺寸的不断减小，相邻存储单元之间的间距也将越来越小。当对某一存储单元进行读写操作时，其产生的热量将不可避免地传导到邻近存储单元，如果这种传导热量引起的邻近存储单元温升超过记录材料的相变温度，将会导致该存储单元的记录状态发生非预期的改变，这种邻近存储单元之间的热串扰将极大地影响存储器的可靠性。此外，目前常用记录材料的熔化温度较高，因而使其发生相变所需要的热能较大，由此导致的大功耗成为了制约相变存储器进一步实用化的又一重大瓶颈。

为了提高相变存储器的可靠性，目前普遍采用的方法是通过向薄膜相变材料中掺入N、O、Sn等元素以提高记录材料的晶化温度，这样可有效避免因邻近存储单元的温升超过其记录材料的相变温度而引起的数据位信息错误。不过该方法并没有减小传导至邻近单元的热量，虽然引起的温升不至于使记录材料的状态马上发生转变，但其阻值仍然会有明显的变化，多次操作后数据位信息仍然存在失效的可能，因而会严重影响存储器的使用寿命。此外，采用掺杂的方法提高晶化温度的同时，薄膜相变材料的熔化温度一般也会相应提高，这又将导致相变存储器功耗的增大。

因此，目前迫切地需要一种具有优良热学性能的相变材料，其能有效减小相变存储器邻近存储单元之间的热串扰并降低器件功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层相变材料，该材料有较低的热导率，能有效减小相变存储器邻近存储单元之间的热串扰并降低器件功耗。

一种低热导率的多层相变材料，其特征在于：其为两种单层薄膜相变材料交替堆叠形成周期性的多层膜结构，两种薄膜材料的组成元素不全相同或完全相同但原子百分比不同。

所述单层薄膜相变材料为GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe和AgInSbTe中的任意一种，或者上述任意一种化合物掺杂S或N或O或Cu或Si或Au元素形成的混合物。

掺杂元素占所述单层薄膜相变材料的原子百分比为0.5～50％

各单层薄膜相变材料的厚度范围为0.5nm至5nm。

所述两种单层薄膜相变材料有相同的晶体结构且晶格常数接近。

一种制备权利上述多层相变材料的方法，具体为：先在衬底上沉积一层薄膜相变材料A，再在该层薄膜材料A上沉积另一种薄膜相变材料B，形成一个周期结构；然后在薄膜材料B上沉积一层薄膜材料A，再在薄膜材料A上沉积一层薄膜材料B，形成第二个周期结构；如此循环沉积成周期性的多层膜结构。

一种测试权利所述的多层相变材料热导率的样品，包含两层绝缘导热材料和多层相变材料，多层相变材料位于两层绝缘导热材料之间，其中一层绝缘导热材料沉积于Si衬底上，另一层导热绝缘材料上沉积有金属条。

所述绝缘导热材料的热导率大于1W/mK。

所述绝缘导热材料的厚度为5nm至20nm。

所述金属条为“工”字形结构。

本发明提供的多层相变材料具有较低的热导率，其作为相变存储器的记录材料能有效降低对某一储存单元进行读写操作时引起的邻近储存单元温升，减小邻近单元之间的热串扰，提高存储器的稳定性。同时，其阈值电压显著下降，因而能降低相变存储器的功耗。该材料不需引入其他非相变材料，与现有制备技术完全兼容。

附图说明