本發(fā)明涉及一種用于低功耗相變存儲器的gete/bi2te3超晶格結構存儲介質。

技術背景

相變存儲器技術是基于ovshinsky在20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低阻，可以實現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。

相變存儲器利用操作信號產(chǎn)生焦耳熱對相變材料進行操作，使其在不同的相之間進行轉變，從而體現(xiàn)出高低電阻值差異，進而完成對信息的存儲。相變存儲器由于其操作速度快，數(shù)據(jù)保持力好，循環(huán)操作能力強，與傳統(tǒng)cmos工藝兼容，并且在小尺寸時仍能保持其操作性能，所以被認為是最有希望的下一代非揮發(fā)性存儲器之一。隨著器件尺寸的縮小，低功耗仍是現(xiàn)在相變存儲器研究的熱點和難點。

2011年simpson提出了界面相變存儲器概念。信息存儲通過界面處原子結構變化完成，這個結構變化是一個固態(tài)相變過程。相比傳統(tǒng)的相變存儲器存儲介質需要將存儲介質熔化淬火進行信息寫入，固態(tài)相變涉及的原子變化數(shù)目少，并不需要將材料熔化，使信息寫入所需的能量大幅減小。所以界面存儲器所需的操作信號相比傳統(tǒng)相變存儲器，具有電壓低電流小的特點。同時由于相變存儲介質在信號擦寫過程中避免了熔化這一高溫過程，存儲介質內元素擴散得到改善，存儲器件的使用壽命得到大幅提升。相變存儲器過大的操作電流是限制其廣泛應用的主要因素，對存儲單元對應的晶體管電流驅動能力提出挑戰(zhàn)。界面存儲器的操作電流小這一特點能有效解決這一問題。

對界面存儲器低功耗的理解隨著科學研究的深入而逐漸清晰。界面存儲器按存儲介質的結構精細程度分類超晶格存儲器和超晶格存儲器。類超晶格存儲器的存儲介質由多層相變材料組成，由于界面的存在，材料的熱導率降低，提高了存儲介質的熱效率，從而使存儲器的功耗降低。但是類超晶格結構存儲介質每層材料包含幾十層上百層原子，數(shù)據(jù)寫入仍需經(jīng)過材料熔化過程，所有原子排布重新調整。其優(yōu)勢主要來源于引入多個界面導致的熱效率提高，從而降低了操作信號所需的能量。超晶格存儲器的存儲介質以原子層為單位的人為設計排布為基礎，異質界面兩邊只能允許有限的晶格常數(shù)差異，材料沉積過程趨近外延生長。經(jīng)過特定排布的原子層在界面處的原子可以在能量激發(fā)下進行結構調整，調整前后材料整體能體現(xiàn)出明顯的電阻差異，可以用于信息存儲。而界面外的材料保持穩(wěn)定結構，從而數(shù)據(jù)的擦寫并不需要材料的熔化。有限數(shù)量的原子結構調整減少了所需的激發(fā)能量，從而降低操作信號所需能量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有傳統(tǒng)相變存儲器及超晶格相變存儲器的現(xiàn)狀，提出了一種低功耗相變存儲器的gete/bi2te3超晶格結構存儲介質。

怎樣進一步降低超晶格相變存儲器的功耗是目前相變研究領域的焦點問題。其中一種方式是對界面外的材料的調整。界面外的材料雖然不直接參與原子結構調整，但是能影響界面處原子的結構調整的難易程度。其中一個影響因素是應力。由于異質界面的晶格匹配差異，界面兩側材料都受到對方施加的應力。而研究表明應力越大，界面處原子結構調整越容易發(fā)生。目前相變存儲器中最常見的超晶格結構為sb2te3/gete超晶格結構，其晶格適配為2.45％(sb2te3晶格常數(shù)a＝4.264埃，gete晶格常數(shù)a＝4.162埃)。已經(jīng)有研究人員通過調整材料發(fā)現(xiàn)sb2te/gete超晶格材料具有更低的功耗需求，其晶格適配度為2.59％(sb2te晶格常數(shù)a＝4.27埃，gete晶格常數(shù)a＝4.162埃)。本專利提出用bi2te3/gete超晶格結構為存儲介質，其晶格失配為5.24％(bi2te3晶格常數(shù)a＝4.38埃，gete晶格常數(shù)a＝4.162埃)。bi2te3/gete超晶格結構的應用能更有效降低相變存儲器器件功耗。

要使bi2te3/gete超晶格結構應用的相變存儲器體現(xiàn)出低功耗性能，需要注意以下關鍵點：

1.bi2te3/gete超晶格結構的尺寸。

超晶格結構中bi2te3和gete材料層交替排布。bi2te3層厚度范圍10-50埃。gete層厚度范圍10-25埃。

bi2te3層是若干te-bi-te-bi-te五層原子結構組成的，這五層原子是一個整體，為一個bi2te3單元，厚度約為10埃。所以bi2te3層的厚度最小值為一個bi2te3單元的厚度，約為10埃。相鄰的bi2te3單元之間通過vanderwaals作用(范德瓦爾斯作用)結合。隨著bi2te3層中bi2te3單元的增加，界面所占比例減小，材料更接近體材料，超晶格所帶來性能優(yōu)勢減弱。所以bi2te3層應控制在五個bi2te3單元以下，約50埃。

制備過程中不排除會使用較厚的bi2te3，gete或者sb2te3等材料層作為材料沉積的緩沖層(緩沖bi2te3或者gete材料與基板的晶格失配)。所以本專利人為存儲介質中包含一個bi2te3/gete循環(huán)即屬于本專利描述的bi2te3/gete超晶格結構，無論是否在存儲介質中引入了其他厚度或者是材質的材料。

2.bi2te3/gete超晶格結構的制備。

bi2te3/gete超晶格結構的制備可以通過物理汽相淀積，化學氣相沉積，分子束外延沉積。通過控制制備條件，制備出的bi2te3層和gete層均處于晶態(tài)且界面清晰，無元素相互擴散。

相變存儲芯片制備過程中，在bi2te3/gete超晶格結構制備完成后的各項工藝中，應避免低芯片施加過高溫度。過高溫度會使界面內外的原子進行結構調整，對界面造成不可逆破壞。應將施加溫度控制在500℃以下。

3.bi2te3/gete超晶格結構的使用。

基于bi2te3/gete超晶格結構的相變存儲器擦寫操作的信號應控制在合理范圍，操作信號提供的能量能使界面原子結構調整，但不能過高導致界面外原子結構調整，導致對超晶格結構造成不可逆的破壞。具體信號強度根據(jù)器件結構和尺寸不同而有差異。作為優(yōu)選，電脈沖信號電壓范圍為0.5～4.0v。

本發(fā)明主要有益效果是通過設計、制備并測試bi2te3/gete超晶格相變存儲器，證實相變存儲器功耗由于采用本發(fā)明提到的超晶格結構而體現(xiàn)出低功耗的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)相變存儲器的操作電流過大這一瓶頸問題。

附圖說明

圖1bi2te3/gete超晶格結構示意圖。圖左側為原子結構示意圖，圖中以四層ge，te原子為一層gete材料層，以四個bi2te3單元為一層bi2te3層(20層原子)。右圖為層狀薄膜結構，a為gete材料層厚度，約10-25埃。c為bi2te3層厚度，約10-50埃。a+c為一個循環(huán)，整個bi2te3/gete超晶格結構包含多個a+c循環(huán)。

圖2bi2te3/gete超晶格結構器件在20ns電壓脈沖下的操作結果。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步的分析。

1.bi2te3/gete超晶格結構制備具體制備方式

這里列舉bi2te3/gete超晶格結構的磁控濺射物理汽相淀積法制備方法。為了形成高質量的外延性異質界面，bi2te3和gete層的制備要求晶粒盡可能大，完美狀態(tài)是單晶。但在磁控濺射條件下，由于濺射物理原理的限制，單晶形成困難，我們只能調節(jié)制備參數(shù)制備晶粒尺寸盡可能大的bi2te3和gete層。根據(jù)bi2te3和gete晶體形成的動力學特點，對制備條件要求為制備時溫度盡可能高，薄膜制備速度盡可能慢。同時制備溫度又不能太高使得界面外的原子都可以進行結構調整，所以我們通過實驗得到合適的薄膜沉積溫度為300℃。薄膜制備速率為2nm/min。

具體參數(shù)為：濺射室本地真空2.1×10^-4帕斯卡；濺射氣壓為2.1帕斯卡；濺射氣體為ar；基板溫度300℃；bi2te3采用射頻電源濺射，濺射功率15瓦；gete采用射頻功率濺射，濺射功率10瓦。

2.bi2te3/gete超晶格相變存儲器的測試

如圖1，20個原子層的bi2te3層和4個原子層的gete層交替沉積10個循環(huán)形成的超晶格結構作為相變存儲器的存儲介質，其厚度約50納米。相變存儲單元采用190納米直徑鎢底電極的t型結構，上電極為氮化鈦。通過在上下電極之間施加操作信號對相變存儲器進行數(shù)據(jù)的讀擦寫，結果如圖2所示。

存儲單元低電阻為約800歐姆，高電阻為約50000歐姆。利用20納秒的電壓脈沖對存儲單元進行操作，0.7伏特可以使存儲單元電阻從高到低轉化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的擦除；2.3伏特電壓可以使存儲單元電阻從低到高轉化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。數(shù)據(jù)的讀取采用0.1伏特電壓，不會對存儲單元的信息狀態(tài)產(chǎn)生影響。

上述實施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護范圍。