[发明专利]一种环境友好型Sn-Sb-Ti纳米复合相变薄膜及其制备方法

说明书

一种环境友好型Sn‑Sb‑Ti纳米复合相变薄膜，其化学组成符合化学通式(Sn_xSb_1‑x)_1‑yTi_y，其中，0.05x0.25,0.01y0.4。与传统Ge₂Sb₂Te₅及未掺杂Sn_xSb_1‑x相变薄膜相比，本发明的钛掺杂Sn‑Sb薄膜具有较快的晶化速度，有利于提高PCRAM的存储速率；其次，(Sn_xSb_1‑x)_1‑yTi_y纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度、结晶激活能和十年数据保持力，有益于改善PCRAM的稳定性；再次，相比未掺钛的Sn_xSb_1‑x薄膜材料，(Sn_xSb_1‑x)_1‑yTi_y纳米相变薄膜材料具有更高的非晶态和晶态电阻，有助于降低PCRAM操作功耗，提升PCRAM存储密度。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种用于环境友好型Sn-Sb-Ti纳米复合相变薄膜的制备方法及应用。

背景技术

相变存储器（PCRAM）是一种新兴的基于硫族半导体化合物的非易失性存储器，其存储原理是利用相变材料在晶态与非晶态间具有迥异的电学物理性质实现信息的擦除和写入。晶态的电阻率较低，非晶态的电阻率较高，可作为“0”和“1”两种状态实现二进制数据的存储。环境友好型RESET操作（写入）过程是指对晶态的相变材料施加一个脉冲幅度较高、作用时间极短的电脉冲，使薄膜材料加热至熔点T_m之上，熔融状态下的材料经过快速冷却（10⁹ K/s），实现晶态到非晶态的转变。环境友好型SET操作（擦除）过程是指对非晶态材料施加一个脉冲幅度中等、作用时间较长的电脉冲，材料逐渐升温到玻璃态转化温度T_g之上且熔点T_m之下，实现非晶态到晶态的转变。信息的Read（读取）过程是对相变材料施加微弱的电脉冲信号，在不使存储单元发生相变的状态下，通过测量材料的电阻率判断非晶态与晶态以获取二进制信息。

硫族半导体化合物中具有相变特性的材料有很多，其中，能应用于相变存储器中的主流候选材料是基于Te的硫系化合物，例如Ge-Sb-Te、Ge-Te、Si-Sb-Te、Ti-Sb-Te等，这些材料在相变特性方面均展现出各自优异的性能。就综合性能而言，Ge-Sb-Te是最具代表性、最常用的Te基相变材料，其中以Ge₂Sb₂Te₅为主。Ge₂Sb₂Te₅材料在相变过程中由于Ge原子伞跳翻转的结构变化使其具有纳秒时间尺度的相变速度，已作为记录介质被广泛应用于光学和电学存储器。尽管如此，Ge₂Sb₂Te₅属于成核主导型相变材料，在晶化过程中存在着大量的晶核，由于晶核生长速度较慢导致以Ge₂Sb₂Te₅为介质层的相变存储器读写需较长的时间（100ns），较慢的相变速度制约着相变存储器替代DRAM（10ns）的发展。其次，Ge₂Sb₂Te₅在结晶态时晶粒尺寸较大（100nm），在薄膜介质层中易造成孔洞和缝隙，降低环境友好型可靠性。再次，Ge₂Sb₂Te₅组分中含有Te元素，众所周知，Te具有一定的毒性，对人体和环境有害，还可能污染半导体工艺。且Te原子容易发生迁移，会导致相变材料组分偏析而出现分相，恶化器件的循环寿命。因此，寻找新的环境友好型无Te高速相变材料迫在眉睫。

Sn-Sb是一类生长主导型的二元合金相变材料，拥有较快的结晶速度受到研究界的广泛关注。然而，苦于其结晶温度仅175℃，晶态电阻仅10²Ω/□，使得热稳定性不够高，操作功耗不够低，难以真正应用于相变存储器。