[发明专利]Ge-Se-Sb复合材料、1S1R相变存储器单元及制备方法

说明书

本发明提供一种Ge‑Se‑Sb复合材料、1S1R相变存储器单元及制备方法，其化学通式为Ge_xSe_ySb_100‑x‑y，其中x、y均指元素的原子百分比，且满足20<x<60，20<y<100‑x。作为选通器材料介质时，Sb元素的原子百分比满足0<100‑x‑y<20，其阈值转变单元具有阈值电压低、开关比大等优点，作为存储材料介质时，Sb元素的原子百分比满足30<100‑x‑y<60，其结晶温度高且相变存储单元的数据保持力较好。本发明的Ge‑Se‑Sb复合材料，它既具有阈值转变(OTS)特性，又具有相变存储(OMS)特性，在电信号的作用下材料具备在高、低电阻间的可逆转换能力。

技术领域

本发明属于微纳电子技术领域，特别是涉及一种Ge-Se-Sb复合材料、1S1R相变存储器单元及制备方法。

背景技术

存储器作为一种半导体器件在半导体市场中一直占据着重要的地位。利用相变薄膜材料作为存储介质的相变存储器被认为是最有潜力的下一代非易失性存储器。相变存储器技术基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末、70年代初提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器，其关键材料包括作为存储介质的相变薄膜、加热电极材料、绝缘材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是：施加电学脉冲信号于器件单元，使相变材料在非晶态与晶态之间产生可逆转变，利用材料在高电阻值的非晶态和低电阻值的晶态之间的电阻差异来实现数据存储。

存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。对于传统的相变存储器存储介质材料Ge₂Sb₂Te₅，仍然存在着不能忽视的缺点。其结晶温度较低(约150℃)，热稳定性无法满足汽车电子等领域的高温数据保持力的要求——在120℃下数据能够保持10年以上；而且，其在器件中的功耗和擦写速度仍然需要进一步改善。在实际的存储芯片应用中，需要有一种开关性能很好的选通器来对存储单元进行选通和操作。目前，相变存储器的密度主要取决于驱动的晶体管的尺寸，而二极管的面积要远小于相同技术节点制造的场效应晶体管，因而二极管成为了主流的发展方向。但随着大阵列高密度尤其是三维结构存储器的发展，二极管作为选通单元已经不能满足要求，用硫系化合物薄膜材料作为介质的OTS选通器更适合作为今后三维高密度相变存储器的选通单元。OTS选通器的基本原理同样是基于硫系化合物的Ovshinsky阈值转变特性，在器件操作过程中当施加电压达到阈值电压后，选通单元由高阻态转变为低阻态，与存储单元不同的是，此时OTS材料仍处于非晶态，当电压撤去时，选通单元又回到高阻态，并没有发生存储转变。与晶体管和二极管选通器相比，OTS选通器具有开启电流大、漏电流小、开关比大、器件结构简单和微缩性好等优点。

用于相变存储器的Ge-Se-Sb相变材料，相比于传统的Ge₂Sb₂Te₅，其结晶温度高且高温数据保持力较好。此外，根据我们的研究，Sb含量较低的Ge-Se-Sb材料同时也是一种OTS材料，其OTS单元具有阈值电压低、开关比大等优点。因此，Ge-Se-Sb材料既具有阈值转变(OTS)特性，又具有相变存储(OMS)特性，是一种复合材料。同一种材料通过调节其组分既可以作为存储单元的材料介质又可以作为选通单元的材料介质，因而使得基于Ge-Se-Sb复合材料的1S1R相变存储器单元的制造工艺简单且成本低廉，具备很强的市场竞争力，为三维高密度存储器的实现提供了一种可行的相变单元和选通单元的材料介质。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种Ge-Se-Sb复合材料、1S1R相变存储器单元及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储器的存储单元和选通单元的性能、存储器制造工艺和成本均有待进一步改善的问题。