[发明专利]基于氧掺杂的Sb2

说明书

本发明提供一种基于氧掺杂的Sb₂Te₃相变材料、相变存储器及制备方法，属于微纳电子技术领域，其采用简单的掺杂工艺实现对Sb₂Te₃的微观结构及器件特性进行全面调控的方法及其应用，在Sb₂Te₃相变层中形成“壳‑核”微观结构，其中，非晶低热导率的“壳层”晶界起到类似于异质界面的作用，对发生相变的晶粒也即“核”部进行物理隔断，并起到热阻作用，改善电热利用效率，降低RESET功耗。其中，非晶壳层晶界阻隔Sb₂Te₃晶粒在相变过程中的原子迁移，提高器件的可靠性及循环擦写次数。同时，掺杂元素与核部相变材料元素成键，可有效提高相变材料的非晶稳定性，以上方面综合作用，能全方位地改善器件的综合性能。

技术领域

本发明属于微纳电子技术领域，更具体地，涉及一种基于氧掺杂Sb₂Te₃的“壳-核”结构相变材料及相变存储器。

背景技术

在当今电子技术以及信息产业飞速发展的时代，随着数据的爆炸式增长，人们对非易失性存储器的性能要求也越来越高。相变存储器(PCM)凭借其集成度高、响应速度快、循环寿命长和低功耗等优点被国际半导体工业协会认为最有可能取代闪存和动态存储器而成为未来主流存储器。

相变存储器的基本原理是用电脉冲信号作用于存储单元上，使相变材料在非晶态与晶态之间发生可逆相变来实现“0”和“1”的存储。在单元上施加一个窄脉宽、高幅值的电脉冲对其进行RESET操作，晶态相变存储材料熔化快冷转变为非晶无序态，从而实现从低阻态“0”到高阻态“1”的快速阻变。反之，在相变单元上施加一个宽脉宽、低幅值的电脉冲对其进行SET操作，非晶态相变存储材料经历一个类退火过程结晶，返回低阻态，实现“1”擦写回“0”。

相变材料性能的优化是提升相变存储器性能的关键，而相变材料的微观结构决定着其宏观特性。研究发现，相变存储器的可靠性和循环擦写特性主要与相变材料在反复升温降温过程中的内部原子迁移机制有关。相变存储器的功耗不仅与相变材料的熔点有关，还与器件内部涉及产热及散热过程的电热利用效率密切相关。相变存储器的数据保持时间主要由相变层材料的非晶稳定性决定。

Sb₂Te₃是近年来受到广泛关注的相变材料，其晶化温度低且具有生长主导型晶化过程，晶化速度快，因此，基于Sb₂Te₃的相变存储器件具有SET速度快的特点。但是，其非晶稳定性较差，器件的数据保持时间需要进一步提升。

目前，对Sb₂Te₃相变材料的主要性能优化手段是掺杂。通过在Sb₂Te₃相变材料中引入其他元素形成不同的微观结构，改变相变材料的局域特性从而改善相变存储器件的性能。已有的Sb₂Te₃掺杂对其性能的改善机制主要是，掺杂元素(如Ti、Sc、Y等)在Sb₂Te₃中形成一定的局域晶体结构，如八面体结构等，局域调控Sb₂Te₃的晶化过程，提高Sb₂Te₃材料的非晶稳定性及器件的数据保持时间。掺杂工艺简单，但难以实现对材料微观结构的精确调控，在器件高阻稳定性得到改善的同时会一定程度上牺牲晶化速度，很难实现器件性能的全面提升。另外，在Sb₂Te₃中插入异质层或不同相变材料形成类超晶格结构，通过对异质界面或超晶格界面的调控也可实现相变材料及器件性能的优化。然而，异质结构及类超晶格结构的制备工艺较复杂，另一种材料的选择条件较严苛，且器件特性对异质或类超晶格/Sb₂Te₃界面的结构特性及工艺参数尤其敏感，不利于大规模商业化生产。