一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料与制备方法

本发明属于相变存储，涉及一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料与制备方法。

背景技术：

1、海量的信息存储对我国大数据信息时代的产业发展有着至关重要的意义，开发具有自主知识产权的高速、海量存储器件已迫在眉睫。然而，传统的存储器总是无法兼顾高读写速度、非挥发与海量存储的特性，客观上需要开发下一代非挥发性高速存储器。

2、与现有的商业化非挥发性存储器相比，相变存储器pcram被认为是最有潜力的下一代半导体存储技术之一。在pcram研发中，作为存储媒介的相变材料是pcram的核心，但目前已知的相变材料仍然存在各种问题亟待解决，使其数据稳定性相对较差、存储速率较慢、能耗较高、存储密度较低，这些问题阻碍了其进一步的产业。

3、因此，开发出可用于相变存储器件的新型相变存储材料具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，同时具备可实用性，本发明还提供了该新型相变薄膜材料的制备方法。基于本发明提供的相变薄膜材料制备的存储器件依赖于两种相变材料的可逆的相变过程，能够提升材料的整体稳定性。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，所述相变薄膜材料包括：至少一层crxgeytez，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1；且y<z，x+y+z＝1。

4、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料可以是crxgeytez与其他材料的复合结构薄膜层。

5、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料在升温过程中存在两次可逆相变，包括首先发生的晶态的geytez(gt)相的生成，以及在更高的温度下晶态的cr2ge2te6(crgt)相的生成。

6、其中，所述相变薄膜材料在x：y：z比接近2：2：6附近时，在升温过程中仅能发生可逆的cr2ge2te6非晶到晶态的相变过程；所述相变薄膜材料在x：y：z比偏离2：2：6时，升温过程中存在两次可逆的非晶到晶态相变，包括首先发生的geytez的晶化，以及在更高的温度下cr2ge2te6的晶化。

7、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料中生成的geytez相中ge:te原子比偏离1：1，相变薄膜材料在更高温度下，晶态geytez与cr2ge2te6能够可逆的转化为非晶相。

8、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料中晶态的geytez与cr2ge2te6互不影响，能够稳定的共存；和/或所述相变薄膜材料在非晶相中cr、ge、te原子随机共存，不存在可区分的非晶geytez与cr2ge2te6。

9、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料中生成的geytez相在非晶态具有高电阻和高电阻漂移特性、晶态具有低电阻和低电阻漂移特性；和/或所述相变薄膜材料中cr2ge2te6相在非晶态具有低电阻和高电阻漂移特性、晶态具有高电阻和低电阻漂移特性。

10、作为本发明的一种可选方案，基于所述相变薄膜材料的相变存储器件，在set和rest过程中将同时伴随着geytez与cr2ge2te6的晶化与非晶化过程。

11、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料的制备方法包括溅射法、蒸发法、气相沉积法、分子束外延法及原子层沉积法中任意一种。

12、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料采用磁控溅射法，在氩气环境下，采用单质靶共溅射或合金靶制备，薄膜的厚度由溅射时间与溅射功率共同决定。

13、作为本发明的一种可选方案，靶材溅射背景真空度高于1×10-4pa，溅射功率介于10w-100w之间可调，氩气的气体流量介于10sccm-40sccm之间，溅射气压介于0.2pa-0.5pa之间可调。

14、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料采用磁控溅射法，使用ge、te和cr靶共溅射生长相变薄膜材料，所述相变薄膜材料中ge、te和cr的原子比可通过控制ge、te和cr靶的功率来调节。

15、作为本发明的一种可选方案，所述相变薄膜材料采用磁控溅射法，使用crxgeytez合金靶材生长相变薄膜材料，靶材中0<x<1，0<y<1，0<z<1；且y<z，x+y+z＝1，所述相变薄膜材料中ge、te和cr的原子比可通过控制ge-te-cr合金靶中的原子比来调节。

16、本发明的有益效果在于：

17、本发明提供了涉及一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料与制备方法。所述相变薄膜材料仅包含cr、ge、te三种元素。所述相变薄膜材料在升温过程中，存在两次可逆相变，包括首先发生的晶态的geytez相的生成，以及在更高的温度下晶态的cr2ge2te6相的生成。所述相变薄膜材料中晶态的geytez与cr2ge2te6互不影响，能够稳定的共存。所述相变薄膜在非晶相中cr、ge、te原子随机共存，不存在可区分的非晶geytez与cr2ge2te6。基于所述薄膜材料的相变存储器件，在set和rest过程中将同时伴随着geytez与cr2ge2te6的晶化与非晶化过程。

18、传统相变材料大多仅涉及一种材料的非晶—晶化结构相变。区别于现有技术，本发明所述的相变薄膜材料制备的存储器件依赖于两种相变材料的可逆的相变过程，能够提升材料的整体稳定性。所述相变薄膜中生成的geytez相在非晶态具有高电阻和高电阻漂移特性，晶态具有低电阻和低电阻漂移特性；所述相变薄膜中生成的cr2ge2te6相在非晶态具有低电阻和高电阻漂移特性、晶态具有高电阻和低电阻漂移特性。所述相变材料geytez相cr2ge2te6相的复合，使基于其的存储器件具有高稳定性、低操作电压的特点。本发明的制备方法还具有工艺简单、成本低廉、与原有制备工艺兼容等优点。

技术特征：

1.一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，所述相变薄膜材料包括：至少一层crxgeytez，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1；且y<z，x+y+z＝1。

2.根据权利要求1所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，其特征在于，所述相变薄膜材料在升温过程中存在两次可逆相变，包括首先发生的晶态的geytez相的生成，以及在更高的温度下晶态的cr2ge2te6相的生成。

3.根据权利要求2所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，其特征在于，所述相变薄膜材料中生成的geytez相中ge:te原子比偏离1：1，相变薄膜材料在更高温度下，晶态geytez与cr2ge2te6能够可逆的转化为非晶相。

4.根据权利要求2所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，其特征在于，所述相变薄膜材料中晶态的geytez与cr2ge2te6互不影响，能够稳定的共存；和/或所述相变薄膜材料在非晶相中cr、ge、te原子共存，不存在可区分的非晶态geytez与cr2ge2te6。

5.根据权利要求2所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，其特征在于，所述相变薄膜材料中geytez相在非晶态具有高电阻和高电阻漂移特性、晶态具有低电阻和低电阻漂移特性；和/或所述相变薄膜材料中cr2ge2te6相在非晶态具有低电阻和高电阻漂移特性、晶态具有高电阻和低电阻漂移特性。

6.根据权利要求2所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料，其特征在于，基于所述相变薄膜材料的相变存储器件，在set和rest过程中将同时伴随着geytez与cr2ge2te6的晶化与非晶化过程。

7.权利要求1～6任意一项所述的一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括溅射法、蒸发法、气相沉积法、分子束外延法及原子层沉积法中任意一种。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述相变薄膜材料采用磁控溅射法，在氩气环境下，采用单质靶共溅射或合金靶制备，薄膜的厚度由溅射时间与溅射功率共同决定。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，靶材溅射背景真空度高于1×10-4pa，溅射功率介于10w-100w之间可调，氩气的气体流量介于10sccm-40sccm之间，溅射气压介于0.2pa-0.5pa之间可调。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法使用ge、te和cr靶共溅射生长相变薄膜材料靶材，所述相变薄膜材料中ge、te和cr的原子比通过控制ge、te和cr靶的功率来调节；或采用磁控溅射法使用crxgeytez合金靶生长相变薄膜材料，靶材中0<x<1，0<y<1，0<z<1；且y<z，x+y+z＝1，所述相变薄膜材料中ge、te和cr的原子比通过控制ge-te-cr合金靶中的原子比来调节。

技术总结
本发明提供了一种可用于相变存储器件的新型相变薄膜材料与制备方法，所述相变薄膜材料包括：至少一层Cr<subgt;x</subgt;Ge<subgt;y</subgt;Te<subgt;z</subgt;，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1；且y<z，x+y+z＝1。该相变薄膜材料在升温过程中，存在两次可逆相变，包括首先发生的晶态的Ge<subgt;y</subgt;Te<subgt;z</subgt;(表示为GT)相的生成，以及在更高的温度下晶态的Cr<subgt;2</subgt;Ge<subgt;2</subgt;Te<subgt;6</subgt;(表示为CrGT)相的生成。基于所述相变薄膜材料的相变存储器件，在SET和REST过程中将同时伴随着GT与CrGT的晶化与非晶化过程，进而使该相变存储器件具有高稳定性、低操作电压的特点。本发明的制备方法还具有工艺简单、成本低廉、与原有制备工艺兼容等优点。

技术研发人员：郑龙,朱小芹,吴晓庆,薛建忠,裴明旭
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14