新型纳米复合相变材料的制备及其在相变存储器中的应用

相变存储器（PCRAM）已经成为全球半导体企业关注的焦点之一，被认为最有可能取代目前的FLASH而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件，具有广阔的市场前景。目前在PCRAM研发中遇到的主要问题是如何降低操作电流和功耗，提高存储速度以及改善器件的疲劳特性。本项目以纳米复合相变材料为切入点，面向PCRAM实际应用，围绕着如何提升相变存储器的性能进行一系列的开发和研究，目标是研制出具有自主知识产权、能够在相变存储器中得到应用的纳米复合相变材料。主要研究内容包括：掌握纳米复合相变材料可控生长的制备技术，优化相变存储器单元的制备工艺，探讨纳米尺度上局域微区内微观结构的变化与器件性能的关系，掌握复合材料纳米团簇之间的相互作用机理，建立材料在外加电流（电压）脉冲作用下两相复合的耦合模型，最终实现器件性能的提升和调控。

本项目通过系统深入的研究，开发出了具有高速、高密度、低压、低功耗的纳米复合相变材料，掌握了复合材料的可控制备技术，获得了性能优异的纳米复合相变存储器件。在项目组成员的共同努力下，顺利完成了项目任务，发表SCI论文40余篇，申请专利10项，获授权专利3项。获得的主要研究成果如下：.（1）优化出Ge2Sb2Te5-HfO2和Ge2Sb2Te5-Ta2O5两种纳米复合相变材料。研究结果显示，HfO2与Ge2Sb2Te5可以在纳米尺度均匀复合，通过对Ge2Sb2Te5晶粒生长的有效抑制，复合材料的热稳定性和数据保持力得到大幅提升。同时，适量的HfO2可以有效地降低器件的RESET电压。Ge2Sb2Te5-Ta2O5复合相变材料的结晶温度、结晶激活能和电阻率随着Ta2O5含量的增加而增加。复合材料的晶粒尺寸、粗糙度、残余应力和相变前后的体积变化随着Ta2O5含量的增加逐渐减小。采用Ge2Sb2Te5-Ta2O5复合材料作为相变单元时，器件的功耗可以大幅地降低，原因在于复合材料相对较小的热导率和较小的相变体积。此外，该复合材料还具有105以上的疲劳性能。.（2）开发出具有高数据保持力、低功耗的GaSbSe相变材料，Ga含量大于7 at.%的GaSbSe薄膜，其10年数据保持的温度均在120oC以上。基于Ga10Sb60Se30的相变存储器展示了比Ge2Sb2Te5更小的RESET操作电压、功耗、及更快的操作速度。热力学模拟结果表明Ga10Sb60Se30相变性能的提升缘于其较低的热导率和熔点。.（3）CuSb4Te2具有较高的结晶温度、较好的数据保持力及较快的相变速度。CuSb4Te2器件单元可以在7 ns的电脉冲下实现可逆操作，其循环操作次数达到1.5×105次，高低阻态的比值达到两个数量级，是前景广阔的高速PCRAM候选材料。