[发明专利]一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti系列纳米复合相变薄膜及其制备方法

说明书

一种用于相变存储器的Sb‑Se‑Ti系列纳米复合相变薄膜，其化学组成符合化学通式(Sb_xSe_1‑x)_1‑yTi_y，其中，0.25x0.95,0.01y0.3。本发明通过向Sb‑Se相变材料中掺入不同含量的钛元素，使Sb‑Se相变材料的晶化温度明显的提高，结晶激活能显著增强，数据保持能力大幅度提升，从而提高热稳定性，使PCRAM器件数据保持更长久，信息存储更可靠。同时，掺入不同含量的钛元素使得晶态电阻率有所提高，进而降低RESET电流，有利于降低PCRAM器件功耗；(Sb_xSe_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，具有良好的市场应用潜力。

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti纳米复合相变薄膜的制备方法及应用。

背景技术

美国科学家Stanford Ovshinsky在20世纪60年代提出半导体硫系化合物（Chalcogenides）材料晶态-非晶态相变存储的概念。由于半导体薄膜可逆相变的非易失性和抗干扰特性使得相变存储成为数字存储技术的主要手段之一。作为信息的存储介质，相变薄膜材料需要满足若干条件才能应用于快速、高密度、低功耗半导体存储器。相变材料的选择通常需满足如下条件：好的热稳定性、短的相变时间、大的高低电阻比、低的熔化温度、高的晶态电阻率、稳定的化学性质、小的体积变化率等。热稳定性的提高，能使信息记录点不容易重新晶化；相变时间的缩短，可提高器件的存储速率；晶态与非晶态的电阻特性差异大，能提高读位的灵敏度；相变前后密度变化率减小，有利于提高器件可靠性和器件循环寿命。

Ge₂Sb₂Te₅是当前应用最为广泛的、综合性能较为优越的典型相变薄膜材料。随着相变存储器（PCRAM）应用领域的拓展，Ge₂Sb₂Te₅相变材料在产业化应用时面临着诸多的挑战：如Ge₂Sb₂Te₅结晶温度约155℃，结晶激活能约2.41eV，十年数据保持温度约83℃，偏低的热稳定性已经无法满足汽车电子和航空工业应用领域的要求；Ge₂Sb₂Te₅晶化机制以成核占优为主，从非晶态到面心立方结构转变需要较长的相变时间，使得相变存储器SET操作时间长、速度慢，无法满足未来半导体存储器快速的需求；Ge₂Sb₂Te₅相变前后较大的密度变化使得相变介质层在可逆操作体积不断膨胀和收缩，有害于介质层与上下电极的可靠接触，恶化器件疲劳特性，无法满足未来半导体存储器高可靠性的要求。

Sb-Se相变材料具有较高的结晶温度、较快的相变速度、较低的熔点和热导率、合适的高低电阻差异等特点，使其成为性能良好的二元纳米相变材料。针对Sb-Se基相变材料，其结晶温度约190℃，晶态电阻仅10²Ω/□，即热稳定性和编程功耗有待改善和提高。较弱的数据保持力和偏高的操作功耗严重制约其在相变存储器中的应用。

发明内容

为解决现有技术中Sb-Se合金的结晶温度不够高、晶态电阻不够大的缺点，从而导致该相变材料较弱的数据保持力和偏高的操作功耗严重制约其在相变存储器中的应用的缺陷，本发明提供一种通过射频磁控共溅射的工艺制备少量金属元素Ti掺杂的Sb-Se-Ti三元化合物纳米相变薄膜，以期优化Sb-Se基材料的相变性能，提高相变存储器的数据保存能力、降低相变存储器的操作功耗，促进相变存储器的发展。

本发明提供了如下的技术方案：