[发明专利]一种Ge-Sb-C相变存储材料、其制备方法和应用

说明书

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种Ge‑Sb‑C相变存储材料、其制备方法和应用。本发明的Ge‑Sb‑C新型相变存储材料，其化学组成通式(Ge_iSb_j)_100‑xC_x，其中x,i,j,均表示原子百分比，0＜x＜15，0＜i≤50，50≤j＜100，i+j＝100。与现有技术相比，本发明的一种Ge‑Sb‑C相变存储材料相变前后的密度变化减小，使得相变后产生的应力减小，器件循环性能提高；同时在本发明中，所述Ge‑Sb‑C相变存储材料相变温度得到大幅度提升，热稳定性增强，数据保持力增强；另外，所述Ge‑Sb‑C相变存储材料的晶态电阻率升高，器件的RESET电流减小，操作功耗降低。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种Ge-Sb-C相变存储材料、其制备方法和应用。

背景技术

相变存储器(PCRAM)是基于相变存储材料(主要是硫系化合物)在晶体和非晶体之间的快速转换来实现“0”和“1”的存储。在相变存储单元中，只需要利用一个窄脉宽、高幅值的电脉冲对其进行操作(RESET操作)，晶态相变存储材料就会熔化快冷，转变为非晶态，从而实现从低电阻态“0”到高电阻态“1”的快速阻变。反之，对器件施加一个宽脉宽、低幅值的电脉冲(SET操作)，非晶态相变存储材料就会结晶相变，返回低阻态。相变存储器具有读写速度快、存储密度高、与传统CMOS工艺相兼容等优点。

(Ge₂Sb₂Te₅)GST作为传统的相变存储材料被广泛研究并且在相变存储器的产业化中被应用，但研究表明硫系元素Te的存在会产生一些副效应，影响器件的性能(Krusin-Elbaum,L.,et al.,Evidence for segregation of Te in Ge₂Sb₂Te₅films:Effect onthe“phase-change”stress.Applied Physics Letters,2007.90(14):p.141902)。首先，Te元素的扩散系数较高，易在相变存储单元中扩散并与邻近的Te元素相互作用而导致Te单质相分离；同时，Te元素易在晶界处聚集产生应力，从而影响器件的循环耐久性能；最重要的是，由于晶态GST中存在10％左右的本征空位，在相变成非晶态的过程中，这些空位会聚集成16％～17％左右的无定形空洞，从而使得相变前后的体积差(密度差)达到6％～7％，影响其作为器件的使用寿命(Njoroge,W.K.,H.-W.and M.Wuttig,Densitychanges upon crystallization of Ge₂Sb_2.04Te_4.74films.Journal of Vacuum Science&Technology A:Vacuum,Surfaces,and Films,2002.20(1):p.230-233)。在高密度存储中这个问题就更为严重，因为在三维高密度存储中，器件密度变化产生的应力将会被叠加，从而造成存储阵列的失效。

而在Ge-Sb材料中，Te元素的缺失有望解决上述问题。此外，Ge-Sb属于晶粒生长占主导型材料，晶化速度很快；并且组分比为Ge₁₅Sb₈₅的相变温度为250℃(Zalden,P.,etal.,Atomic structure of amorphous and crystallized Ge₁₅Sb₈₅.Journal of AppliedPhysics,2010.107(10):p.104312)，比传统相变存储材料GST的相变温度(156℃)要高，能有效提高其非晶态热稳定性从而提高器件的数据存储能力，同时降低存储单元之间的热串扰；而且晶态Ge-Sb中不存在本征空位，因此相变前后的密度变化比GST要小。但Ge-Sb在相变过程中会出现富Ge和富Sb的相位分离，影响器件的循环使用性能。为了进一步降低Ge-Sb相变前后的密度变化，提升Ge-Sb的性能，因此需要对此进行掺杂改性。