CN113140674A - 适用于相变存储器的相变材料及相变存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种适用于相变存储器的相变材料及相变存储器，相变材料包括：相变层和超晶格夹层；相变层与超晶格夹层形成超晶格结构，相变层包括锑原子Sb；与一般含有锑原子的相变材料相比较，本申请实施例提供的超晶格具有较大的黏度，较好的应用可靠性及较长的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及相变存储材料领域，尤其涉及一种适用于相变存储器的相变材料及相变存储器。
背景技术
相变存储器(phase change memory，PCM)，由第一电极、相变材料及第二电极组成，其中，第一电极与第二电极通过相变材料连接。相变材料的状态包括晶体状态和非晶体状态，在非晶体状态下，相变材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。在晶体状态下，相变材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。相变存储器可以利用其内部的相变材料在晶体状态和非晶体状态之间相互转化时所表现出来的电阻率差异来存储数据。
锑原子Sb由于晶化过程的相变速度较快，因此目前相变材料多采用含有锑原子的相变材料，但是含有锑原子的材料易发生原子的迁移，导致制备出的相变材料黏度降低、应用可靠性和使用寿命较差。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本申请实施例示出一种相变材料及相变存储器。
第一方面，本申请实施例提供一种相变材料，相变材料包括：相变层和超晶格夹层；所述相变层与所述超晶格夹层形成超晶格结构，所述相变层包括锑原子Sb；在所述相变层在晶体状态及非晶体状态之间转换时，所述超晶格夹层处于晶体状态。
本实现方式中，与一般含有锑原子的相变材料相比较，本申请实施例提供的相变材料具有较大的黏度，较好的应用可靠性及较长的使用寿命。由于在相变层转换为晶体状态的过程中，超晶格夹层保持在晶体状态，超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善；相变层内的锑原子由晶体状态转换为非晶体状态；超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述超晶格夹层与相变层交替排布，所述超晶格夹层与所述相变层存之间形成多个交界面，在所述相变层转化为晶体状态时，在所述交界面的位置为所述超晶格夹层为所述相变层提供核点。
本实现方式中，所述超晶格夹层与相变层交替排布，所述超晶格夹层与所述相变层存之间形成多个交界面，在所述相变层转化为晶体状态时，在所述交界面的位置为所述超晶格夹层为所述相变层提供核点，进而使得相变材料中核点的数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层的晶化时间，相应的相变材料的晶化时间缩短，从而使得相变材料可以实现超快速的读写操作。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，第一晶格常数与第二晶格参数的差值小于或等于晶格参数阈值，所述第一晶格常数为所述超晶格夹层的晶格常数，所述第二晶格常数为相变层的晶格常数。
本实现方式中，第一晶格常数与第二晶格参数的差值小于或等于晶格参数阈值，超晶格夹层与相变层具有较好的晶格匹配度，超晶格夹层可以与相变层在多方位进行匹配，超晶格夹层可以为相变层提供的核点数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层的晶化时间，相应的相变材料的晶化时间缩短，从而使得相变材料可以实现超快速的读写操作。
结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，第一原子半径与第二原子半径的差值小于或等于原子半径阈值，所述第一原子半径为所述超晶格夹层包含原子的原子半径，所述第二原子半径为相变层包含原子的原子半径。
本实现方式中，第一原子半径与第二原子半径的差值小于或等于原子半径阈值，超晶格夹层与相变层具有较好的晶格匹配度，超晶格夹层可以与相变层在多方位进行匹配，超晶格夹层可以为相变层提供的核点数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层的晶化时间，相应的相变材料的晶化时间缩短，从而使得相变材料可以实现超快速的读写操作。
结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，超晶格夹层不具有相变性能，超晶格夹层的熔点大于相变层的熔点。
本实现方式中，由于超晶格夹层的相变温度大于相变层的熔点，Reset过程可以将温度上升至T3，T3大于相变层的熔点小于超晶格夹层的相变温度，因此在Reset过程中超晶格夹层可以保持稳定状态；Set过程可以将温度上升至T4，T4为相变层的晶化温度小于T3小于超晶格夹层的相变温度，因此在Set过程中超晶格夹层可以保持稳定状态。由于，T3和T4均小于超晶格夹层的相变温度，因此，在升温的过程中超晶格夹层不会发生原子的迁移，因此在超晶格夹层不会出现黏度降低的问题。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，超晶格夹层具有相变性能，超晶格夹层的相变温度大于相变层的相变温度，超晶格夹层的相变温度大于相变层的熔点。
本实现方式中，超晶格夹层可以具有相变性能，由于超晶格夹层的相变温度大于相变层的熔点，Reset过程可以将温度上升至T3，T3大于相变层的熔点小于超晶格夹层的相变温度，因此在Reset过程中超晶格夹层可以保持稳定状态；Set过程可以将温度上升至T4，T4为相变层的晶化温度小于T3小于超晶格夹层的相变温度，因此在Set过程中超晶格夹层可以保持稳定状态。由于，T3和T4均小于超晶格夹层的相变温度，因此，在升温的过程中超晶格夹层不会发生原子的迁移，因此在超晶格夹层不会出现黏度降低的问题。
结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述相变层还包括碲原子Te，所述超晶格夹层包括锑原子Sb。
本实现方式中，相变层可以包括锑原子和碲原子，以进一步提升相变材料的热稳定性。相变层由碲原子与锑原子相互掺杂后得到，碲原子与锑原子可以形成较强的化学键，因此在非晶体状态下碲原子与锑原子成为一种稳定的化合物，相变层在非晶体状态下的热稳定性得以提升，相变材料的热稳定性得以提升。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述相变层还包括碲原子Te，所述超晶格夹层包括碲原子Te及钪原子Sc。
本实现方式中，超晶格夹层可以包括碲原子和钪原子，以兼顾相变材料的热稳定性及晶化时间。超晶格夹层由碲原子和钪原子相互掺杂后得到化合物ScTe，化合物ScTe是一种稳定的化合物，因此超晶格夹层具有良好的热稳定性，相应的相变材料的热稳定性得以提升。进一步的，由于钪原子在xy平面上的晶格常数与锑原子在xy平面上的晶格常数相近，进而保障含有化合物ScTe的超晶格夹层晶格与含有锑原子的相变层晶格可以实现多方位的匹配，超晶格夹层可以多方位的为相变层提供核点，超晶格夹层可以为相变层提供核点的数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层晶化时间，相变材料的晶化时间较短。
结合第一方面，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述相变层的厚度大于等于1nm，小于等于10nm。
本实现方式中，相变层的厚度在1nm～10nm，以降低相变材料Reset过程中需要能量。由于相变层的厚度在1nm～10nm，相变层的熔点显著降低，因此，相变层在Reset过程需要的能量有所降低，相变材料在Reset过程需要的能量有所降低。进一步的，由于相变层的厚度在1nm～10nm，在非晶状态下，相变层的颗粒表面层附近的原子密度较少，因此，在晶化过程中可以发生迁移的锑原子数量较少，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善。
第二方面，本申请实施例提供一种相变材料，相变材料锑原子Sb，相变材料的厚度在1nm～10nm。
本实现方式中，相变材料的厚度在1nm～10nm，相变材料的熔点显著降低，因此，相变材料在Reset过程需要的能量有所降低。进一步的，由于，相变材料的厚度在1nm～10nm，在非晶状态下，相变层的颗粒表面层附近的原子密度较少，因此，在晶化过程中可以发生迁移的锑原子数量较少，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善。
第三方面，本申请实施例提供一种相变存储器，包括：包括多个相变存储单元，每个相变存储单元包括本申请实施例示出的相变材料、第一电极和第二电极，第一电极与第二电极通过相变材料连接。
本实现方式中，相变存储器具有使用寿命长、应用的可靠性好，在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作的有益效果：与一般含有锑原子的相变材料相比较，本申请实施例提供的相变材料具有较大的黏度，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。
附图说明
图1为锑元素在非晶体状态下晶格模型的结构示意图；
图2为晶体状态下含锑原子晶格结构的示意图；
图3为非晶体状态下，含锑原子晶格结构的示意图；
图4为一可行性实时提供的含碲原子晶格结构的示意图；
图5为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图；
图6为另外一种利用相变材料所制作的相变存储器的结构示意图；
图7为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图；
图8为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图；
图9为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图；
图10为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图。
具体实施方式
本申请中，相变材料为对其施加不同的幅值脉冲信号，幅值脉冲信号可以为脉冲电流，可以在晶体状态和非晶体状态之间相互转换的材料。在非晶体状态下，相变材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率，本申请中非晶状态也可称之为高阻态。在晶体状态下，相变材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率，在本申请中晶状态也可称之为低阻态。利用相变材料在电学性质上存在双稳态(高阻态和低阻态)特性，可以对其施加不同电脉冲信号使其保持高阻状态或低阻状态。
本申请中，非晶体状态是指晶体内原子、离子或分子无序排布的状态。晶体状态是指晶体内原子、离子或分子在空间上有序排布的状态。因此，相变材料在晶体状态和非晶体状态之间相互转换过程的本质是相变材料内部的原子、离子或分子迁移的过程。迁移过程包括原子、离子、分子由有序状态转换为无序状态(在本实施例可以称之为非晶化过程)；还包括原子、离子、分子由无序状态转换为有序状态(在本实施例可以称之为晶化过程)。下面结合具体附图对晶体状态及非晶体状态下原子的分布状态作以说明。图1为非晶体状态下，含锑原子晶格结构的示意图，可以看出在晶格内部锑原子11呈无序状态排布，图2为晶体状态下含锑原子晶格结构的示意图，可以看出在晶格内部锑原子呈21以六边形的空间序列排布。
由于，锑原子Sb具有良好的原子迁移性能，可以缩短晶化过程所需的时间或非化过程所需的时间，本实施例示出的相变材料均包括锑原子。
含有锑原子的相变材料，其晶体状态与非晶体状态之间相互转换的过程中，锑原子具有良好的原子迁移性能，使得在晶化过程中，由于锑原子的迁移导致相变材料的内部产生大量的空洞，而这些空洞会降低相变材料粘性，使得相变材料彼此脱离，影响相变材料应用可靠性和使用寿命。
基于上述问题本申请实施例提供了一种相变材料，相变材料包括：相变层和超晶格夹层；相变层与超晶格夹层形成超晶格结构，相变层包括锑原子；
本申请中，相变层为相变材料中可以在晶体状态和非晶体状态之间相互转换的那一层材料，厚度在100nm以内。相变层至少包括锑原子，锑原子具有良好的原子迁移性能，可以缩短相变层的晶化时间。
本申请中，超晶格夹层为可以与相变层形成超晶格结构的材料，厚度在100nm以内，超晶格夹层的晶格与相变层的晶格具有较好的匹配度，即第一晶格常数与第二晶格参数的差值小于或等于晶格参数阈值，所述第一晶格常数为所述超晶格夹层的晶格常数，所述第二晶格常数为相变层的晶格的晶格常数。其中，晶格参数阈值可以根据需求设定，例如在一可行性实施例中晶格参数阈值为0.01。
本申请中，超晶格结构是指晶格匹配度较好的两种材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下。图3为一可行性实施例公开的相变材料的结构示意图，相变材料包括：相变层31和超晶格夹层32，相变层31和超晶格夹层32交替地生长周期性排布成超晶格结构。
本申请实施例提供的相变材料具有以下的有益效果：与一般含有锑原子的相变材料相比较，本申请实施例提供的相变材料具有较大的黏度，较好的应用可靠性及较长的使用寿命。由于给上述相变材料施加第一幅值脉冲信号时，相变材料的温度升高至锑原子的晶化温度以上，相变层内的锑原子转换为晶体状态，在相变层转换为晶体状态的过程中，超晶格夹层保持在晶体状态，超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，空洞的数量越少相变材料彼此粘连的面积越大，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善；给相变材料施加第二幅值脉冲信号时，相变材料的温度升高至锑原子的熔点以上，然后迅速降温，相变层内的锑原子由晶体状态转换为非晶体状态；超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善。
在一种实施例中，相变层还包括碲原子Te。
本实施例中，相变材料包括相变层和超晶格夹层，相变层的热稳定性影响着相变材料的热稳定性。相变层的热稳定性受相变层非晶体状态下的热稳定性影响。相变层非晶体状态下的热稳定性越好，相应的相变材料的热稳定性越好，由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性越强，相变存储器的使用寿命越长。
考虑到相变层非晶体状态下的热稳定性对相变存储器使用寿命的影响，作为一种可行性实施例相变层可以包括锑原子和碲原子，以进一步提升相变材料的热稳定性。相变层由碲原子与锑原子相互掺杂后得到，碲原子与锑原子均匀随机分布并且成键，由于碲原子的原子半径与锑原子的原子半径相近，因此在成键的过程中，碲原子的核外电子与锑原子的核外电子重合程度较大，使得碲原子与锑原子可以形成较强的化学键，因此在非晶体状态下碲原子与锑原子成为一种稳定的化合物，相变层在非晶体状态下的热稳定性得以提升，相变材料的热稳定性得以提升，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。
在一种实施例中，相变层还可以包括碲原子和稀土原子。
通常情况下，相变层在非晶状态下的晶体结构影响着相变材料的稳定性，相变层在非晶状态下的晶体结构越稳定，相变材料的稳定性越好，由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性越强，相变存储器的使用寿命越长。
相变层内碲原子与锑原子形成的化合物在非晶状态下呈片层结构，片层结构的晶体相对于其他结构的晶体而言，晶体结构的稳定性较差。
考虑到相变层非晶体状态下的晶体结构对相变材料稳定性的影响，作为一种可行性实施例相变层可以包括：锑原子、碲原子和稀土原子，以进一步提升相变材料的稳定性。由于锑原子、碲原子和稀土原子可以形成三元化合物，此三元化合物的晶体结构在非晶状态下呈非片层结构，因此锑原子、碲原子和稀土原子形成三元化合物与锑原子和碲原子形成的二元化合物相比较晶体结构的稳定性得以提升，相变层的晶体结构稳定性得以提升，相变材料的稳定性得以提升，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命。
在一种实施例中，相变层还可以包括碲原子和锡原子Sn。
通常情况下，相变层内核点的数量影响着相变材料的晶化时间。相变层内核点的数量越多，相变层的晶化时间越短，相变材料的晶化时间越短，由该相变材料制备的相变存储器读写效率越高，相变存储器应用的便捷性和功能性越好。
考虑到相变层内核点的数量对相变材料晶化时间的影响，作为一种可行性实施例相变层可以包括锑原子、碲原子和锡原子，以缩短相变材料的晶化时间。相变层由碲原子、锑原子和锡原子相互掺杂后得到，由于碲原子的原子半径与锑原子的原子半径相近，使得碲原子与锑原子可以形成较强的化学键，因此，在非晶体状态下，碲原子与锑原子成为一种稳定的化合物，在这种化合物中掺杂锡原子可以增加晶化过程中核点的数量，核点数量的增加可以缩短相变层的晶化时间，相变材料的晶化时间较短，使得由该相变材料制备的相变存储器可以实现快速的读写操作，相变存储器的数据读写效率得以提升，相变存储器应用的便捷性和功能性得以提升。
在一种实施例中，相变层的厚度在1nm～10nm。
相变材料在晶体状态和非晶体状态之间相互转换的过程，均需要使相变材料的温度升高。例如：相变材料由非晶体状态向晶体状态转换的过程(本实施例中可以称之为Set过程)：需要对相变材料施加一个长且强度中等的幅值脉冲信号，使得相变材料的温度升高至晶化温度以上，熔点以下，并保持一段时间，以使得相变材料转化为晶体状态，此时相变材料表现为低阻态。再例如，相变材料由晶体状态转换为非晶体状态的过程也可称之为Reset过程，Reset过程对相变材料施加一个长且强幅值脉冲信号(本申请中也可称之为Reset电流)，使得相变材料的温度升高至熔点以上，然后快速冷却，相变材料转化为非晶体状态，此时相变材料表现为高阻态。
Reset电流是相变存储器的一个重要参数，Reset电流越小，意味着Reset过程中需要的能量越小。通常希望降低相变材料的熔点以降低相变材料Reset过程中需要的能量。
通常情况下，材料的尺寸在纳米级别时，其固定的熔点显著降低，当材料的尺寸小于10nm时熔点降低的现象表现的尤为显著。同时，材料的尺寸在纳米级别时，在非晶状态下，材料表面层附近的原子密度较少。
考虑到材料的尺寸对相变材料Reset过程中需要能量的影响，作为一种可行性实施例相变层的厚度在1nm～10nm，以降低相变材料Reset过程中需要能量。由于相变层的厚度在1nm～10nm，相变层的熔点显著降低，因此，相变层在Reset过程需要的能量有所降低，相变材料在Reset过程需要的能量有所降低，从而提降低由该相变材料制备的相变存储器的功耗。进一步的，由于相变层的厚度在1nm～10nm，在非晶状态下，相变层的颗粒表面层附近的原子密度较少，因此，在晶化过程中可以发生迁移的锑原子数量较少，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。
在一种实施例中，超晶格夹层包括碲原子Te。
本实施例中超晶格夹层可以与相变层形成超晶格结构，即超晶格夹层与相变层交替周期性排布，超晶格夹层与相变层存之间形成多个交界面，在相变层Set过程中，在交界面的位置超晶格夹层可以为相变层提供核点。
本申请中，核点为在相变层结晶过程中可以为相变层提供晶核的点。
通常情况下，第一原子半径与第二原子半径的差值小于或等于原子半径阈值，超晶格夹层晶格与相变层晶格匹配度较好，超晶格夹层可以为相变层提供核点越多，相变层的晶化时间越短，相变材料的晶化时间越短，其中，所述第一原子半径为所述超晶格夹层包含原子的原子半径，所述第二原子半径为相变层包含原子的原子半径。其中，原子半径阈值可以根据需求设定，例如在一可行性实施例中原子半径阈值可以为2pm。
考虑到超晶格夹层可以为相变层提供核点的数量对相变材料晶化时间的影响，作为一种可行性实施例超晶格夹层可以包括碲原子，以缩短相变材料的晶化时间。相变层包括锑原子，晶体状态下锑元素的晶格结构可以继续参阅图2，可以看出锑原子的晶格结构呈六方体结构。本实施例中，超晶格夹层包括碲原子，碲原子的晶格结构可以参阅图4，图4为一可行性实时提供的含碲原子晶格结构的示意图，可以看出碲原子41晶格结构呈六方体结构，因此超晶格夹层晶格与相变层晶格的具有较好的匹配度，进一步的由于碲原子的原子半径与锑原子的原子半径相近，因此超晶格夹层晶格与相变层晶格的匹配度进一步提升，进而保证超晶格夹层的晶格与相变层的晶格可以实现多方位的匹配，超晶格夹层可以为相变层提供核点的数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层的晶化时间，相应的相变材料的晶化时间缩短，从而使得相变材料可以实现超快速的读写操作，提升了由该相变材料制备出相变存储器的数据读写效率，提升相变存储器应用的便捷性和功能性。
在一种实施例中，超晶格夹层可以包括碲原子和钪原子Sc。
本实施例中，相变材料包括相变层和超晶格夹层，超晶格夹层的热稳定性影响着相变材料的热稳定性。超晶格夹层的热稳定性越好，相变材料的热稳定性越好。同时，超晶格夹层晶格与相变层晶格的匹配度越好，超晶格夹层可以为相变层提供核点越多，相变层的晶化时间越短，相变材料的晶化时间越短。
兼顾超晶格夹层的热稳定性及超晶格夹层可以为相变层提供核点的数量对相变材料的影响，作为一种可行性实施例超晶格夹层可以包括碲原子和钪原子，以兼顾相变材料的热稳定性及晶化时间。超晶格夹层由碲原子Te和钪原子Sc相互掺杂后得到化合物ScTe，化合物ScTe是一种稳定的化合物，不具备相变性能，熔点可以达到1300K，因此超晶格夹层具有良好的热稳定性，相应的相变材料的热稳定性得以提升，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。进一步的，由于钪原子在xy平面上的晶格常数与锑原子在xy平面上的晶格常数相近，进而保障含有化合物ScTe的超晶格夹层晶格与含有锑原子的相变层晶格可以实现多方位的匹配，超晶格夹层可以多方位的为相变层提供核点，超晶格夹层可以为相变层提供核点的数量增加，核点数量的增加可以缩短相变层晶化时间，相变材料的晶化时间较短，从而使得相变材料可以实现超快速的读写操作，提升了由该相变材料制备出相变存储器的数据读写效率，提升由该相变材料制备的相变存储器应用的便捷性和功能性。
作为一种可实现方式，超晶格夹层不具有相变性能，超晶格夹层的熔点大于相变层的熔点。相变存储器反复擦写的过程中，均需要使相变材料的温度升高。本实施例中，超晶格夹层不具有相变性能，因此在升温的过程中超晶格夹层不会发生原子的迁移，因此在超晶格夹层不会出现黏度降低的问题。进一步的，由于超晶格夹层的熔点大于相变层的熔点，Reset过程可以将温度上升至T1，T1大于相变层的熔点小于超晶格夹层的熔点，因此在Reset过程中超晶格夹层可以保持稳定状态；Set过程可以将温度上升至T2，T2为相变层的晶化温度小于T1小于超晶格夹层的熔点，因此在Set过程中超晶格夹层可以保持稳定状态
作为一种可实现方式，超晶格夹层具有相变性能，超晶格夹层的相变温度大于相变层的熔点。相变存储器反复擦写的过程中，均需要使相变材料的温度升高。本实施例中，超晶格夹层可以具有相变性能，由于超晶格夹层的相变温度大于相变层的熔点，Reset过程可以将温度上升至T3，T3大于相变层的熔点小于超晶格夹层的相变温度，因此在Reset过程中超晶格夹层可以保持稳定状态；Set过程可以将温度上升至T4，T4为相变层的晶化温度小于T3小于超晶格夹层的相变温度，因此在Set过程中超晶格夹层可以保持稳定状态。由于，T3和T4均小于超晶格夹层的相变温度，因此，在升温的过程中超晶格夹层不会发生原子的迁移，因此在超晶格夹层不会出现黏度降低的问题。
本申请实施例提供了一种相变材料，相变材料锑原子Sb，相变材料厚度在1nm～10nm；给相变材料施加第一幅值脉冲信号时，相变材料升温至锑原子的晶化温度以上，相变材料内的锑原子转换为晶体状态；给相变材料施加第二幅值脉冲信号时，相变材料升温至锑原子的熔点以上，降温，相变材料内的锑原子由晶体状态转换为非晶体状态。
本申请实施例提供的相变材料具有以下的有益效果：相变材料的厚度在1nm～10nm，相变材料的熔点显著降低，因此，相变材料在Reset过程需要的能量有所降低。进一步的，由于，相变材料的厚度在1nm～10nm，在非晶状态下，相变层的颗粒表面层附近的原子密度较少，因此，在晶化过程中可以发生迁移的锑原子数量较少，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善。
如图5所示，为利用上述相变材料所制作的相变存储器的结构示意图，相变存储器可以包括第一电极51、相变材料52和第二电极53。其中，第一电极511的上表面设置有相变材料52，相变材料52的上表面设置有第二电极53；第一电极51、相变材料52及第二电极53平行设置。
图6为另外一种利用上述相变材料所制作的相变存储器的结构示意图，在该实施例中第一电极61的上表面设置有相变材料62，相变材料62的上表面设置有第二电极63；第一电极61与第二电极63呈一定夹角设置。本申请中并不对第一电极61与第二电极63之间夹角的度数作以限定，在实际应用的过程中可以根据需求设定第一电极61与第二电极63之间夹角的度数。
作为一种可实现方式，相变材料在垂直方向上的截面可以小于第一电极或第二电极在垂直方向上的截面，以达到节约相变材料的目的。
本申请实施例提供的相变存储器具有使用寿命长、应用的可靠性好，在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作的有益效果：与一般含有锑原子的相变材料相比较，本申请实施例提供的相变材料具有较大的黏度。由于给上述相变材料施加第一幅值脉冲信号时，相变层内的锑原子转换为晶体状态，在相变层转换为晶体状态的过程中，超晶格夹层保持在晶体状态，超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善；给相变材料施加第二幅值脉冲信号时，相变层内的锑原子转换为非晶体状态，超晶格夹层内无分子、原子或离子的迁移，超晶格夹层起到限制相变层内锑原子的迁移的作用，使得锑原子只能在相变层内迁移，因此在一定程度上减少了由于锑原子迁移而产生空洞的数量，使得相变材料的黏度有所提升，相变材料应用可靠性和使用寿命均有所改善，从而提升了由该相变材料制备的相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。
值得注意的是，图5和图6只是示例性的给出了两种相变存储器可能存在的结构，而非限制本实施例的范围。
作为一种可行性实施方式，第一电极的材料可以包括：W、Al、Cu、Ru、Ti、Ta、Co、Mo、Ir、Ni、Nb、TiN、TaN、TiW、IrO2中的一种或几种。值得注意的是，本实施例仅是示例性的给出了几种第一电极的材料，而非限制本实施例的范围，在实际应用的过程中凡是可以起到导电作用的材料均可作为第一电极的材料。
作为一种可行性实施方式，第二电极的材料可以包括：W、Al、Cu、Ru、Ti、Ta、Co、Mo、Ir、Ni、Nb、TiN、TaN、TiW、IrO2中的一种或几种。值得注意的是，本实施例仅是示例性的给出了几种第二电极的材料，而非限制本实施例的范围，在实际应用的过程中凡是可以起到导电作用的材料均可作为第二电极的材料。
在一些实施例中，相变存储器还可以包括衬底，衬底设置于第一电极的表面，起到支撑和保护第一电极的作用。下面结合具体附图对本实施例提供的相变存储器做进一步的说明。
图7为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图，可以看出相变存储器可以包括：第一电极71、相变材料72、第二电极73和衬底74。图中，衬底74设置于第一电极71的下表面，起到支撑第一电极71的作用；第一电极71的上表面设置有相变材料72，相变材料72的上边面设置有第二电极73。值得注意的是，图7只是示例性的给出了一种相变存储器可能存在的结构，而非限制本实施例的范围。
作为一种可行性实施方式，衬底的材料可以包括：硅，氧化硅，蓝宝石，碳化硅，氮化镓中的一种或几种。值得注意的是，本实施例仅是示例性的给出了几种衬底的材料，而非限制本实施例的范围，在实际应用的过程中凡是可以起到支撑和保护第一电极作用的材料均可作为衬底的材料。
在一些实施例中，相变存储器还可以包括：绝缘层。下面结合具体附图对本实施例提供的相变存储器做进一步的说明。
图8为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图，可以看出相变存储器可以包括：第一电极81、相变材料82、第二电极83、衬底84和绝缘层85。图中，衬底84设置于第一电极81的下表面，起到支撑第一电极81的作用；第一电极81的上表面设置有绝缘层85，绝缘层85设置有贯穿的通孔(图中未标号)；通孔内设置有相变材料82，相变材料的下表面与第一电极81连接。绝缘层85的上表面设置有第二电极83；第二电极83覆盖通孔，与设置在通孔内部的相变材料82的第二表面连接。
本实施例示出的相变存储器还包括绝缘层，绝缘层设置于相变材料的外表面，起到保护相变材料的作用。
图9为一可行性实施例公开的相变存储器的结构示意图，可以看出相变存储器可以包括：第一电极91、相变材料92、第二电极93、衬底94和绝缘层95。图中，衬底94设置于第一电极91的下表面，起到支撑第一电极91的作用；第一电极91的上表面设置有绝缘层95，绝缘层95设置有贯穿的通孔(图中未标号)；相变材料92在垂直方向上的截面成“T”字型，相变材料92包括：第一子部件921和第二子部件922，第一子部件921水平放置，第二子部件922的上表面与第一子部件921的下表面连接，第二子部件922贯穿通孔与第一电极91连接；第一子部件921设置于绝缘层95的上表面，第一子部件921的上表面设置有第二电极93。
本实施例示出的相变存储器还包括绝缘层，绝缘层设置于第二子部件的外表面，起到保护第二子部件的作用，进一步的，绝缘层设置于第一子部件与第一电极之间，起到支撑第一子部件的作用。
在衬底采用导电材料的应用场景下，如果将第一电极直接设置在衬底的上表面，会引发漏电的问题，为了解决上述技术问题本实施例示出一种相变存储器，下面结合具体的附图对本实施例提供的相变存储器作进一步的说明。
图10为一可行性实施例公开的相变存储器的示意图，可以看出相变存储器可以包括：第一电极101、相变材料102、第二电极103、衬底104和绝缘层105，本实施例中，衬底104由导电材料制备而成。图中，衬底104的上表面设置有绝缘层105；绝缘层105的上表面设置有相变材料102；第一电极101部分设置于绝缘层105的上表面，部分设置于相变材料102的上表面；第二电极103部分设置于绝缘层105的上表面，部分设置于相变材料102的上表面。
本实施例示出的相变存储器采用绝缘材料将衬底与相变材料，衬底与第一电极，衬底与第一电极隔绝开，即使在采用导电材料的衬底的应用场景下也不会出现漏电的问题。
值得注意的是，图8、图9和图10只是示例性的给出了几种相变存储器可能存在的结构，而非限制本实施例的范围。
在本申请中还提供一种相变材料的制备方法，具体的，可以采用化学电镀、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光、原子层沉积或电子束蒸发中的任意一种方式制备本实施例示出的相变材料。
在本申请中还提供一种相变存储器的制备方法，方法包括：
制备第一电极，相变材料及第二电极；
将制备出的第一电极相变材料及第二电极整合成相变存储器。
作为一种可行性实时方式可以采用化学电镀、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光、原子层沉积或电子束蒸发的方法制备第一电极。
作为一种可行性实时方式可以采用化学电镀、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光、原子层沉积或电子束蒸发的方法制备本实施例示出的相变材料。
作为一种可行性实时方式可以采用化学电镀、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光、原子层沉积或电子束蒸发的方法制备第二电极。
在本申请中还提供一种存储器，存储器包括本申请实施例示出的相变存储器和与相变存储器连接的存储单元。
作为一种可行性实施例方式，存储器可以包括相变存储器，阻变存储器，磁存储器，铁电存储器等。值得注意的是，本实施例仅是示例性存储器可能存在的形式，而非限制本实施例的范围。
在本申请中还提供一种计算机，计算机本申请实施例示出的存储器和与存储器相连接的处理器。
本申请实施例涉及的计算机可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、手持计算机、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、可穿戴终端、车载设备、虚拟现实设备等，本申请实施例对此不做任何限制。
应理解，本申请实施例中所涉及的多个，是指两个或两个以上。另外，需要理解的是，在本申请实施例提供的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，上述的实施例并不构成对本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例提供的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请实施例提供的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于相变存储器的相变材料，其特征在于，所述相变材料包括：相变层和超晶格夹层；所述相变层与所述超晶格夹层形成超晶格结构，所述相变层包括锑原子Sb；在所述相变层在晶体状态及非晶体状态之间转换时，所述超晶格夹层处于晶体状态。
2.根据权利要求1所述的相变材料，其特征在于，所述超晶格夹层与相变层交替排布，所述超晶格夹层与所述相变层存之间形成多个交界面，在所述相变层转化为晶体状态时，在所述交界面的位置所述超晶格夹层为所述相变层提供核点。
3.根据权利要求1或2所述的相变材料，其特征在于，第一晶格常数与第二晶格参数的差值小于或等于晶格参数阈值，所述第一晶格常数为所述超晶格夹层的晶格常数，所述第二晶格常数为相变层的晶格常数。
4.根据权利要求1或2所述的相变材料，其特征在于，第一原子半径与第二原子半径的差值小于或等于原子半径阈值，所述第一原子半径为所述超晶格夹层包含原子的原子半径，所述第二原子半径为相变层包含原子的原子半径。
5.根据权利要求1-4任一项所述的相变材料，其特征在于，所述超晶格夹层不具有相变性能，所述超晶格夹层的熔点大于所述相变层的熔点。
6.根据权利要求1-4任一项所述的相变材料，其特征在于，所述超晶格夹层具有相变性能，所述超晶格夹层的相变温度大于所述相变层的相变温度，所述超晶格夹层的相变温度大于所述相变层的熔点。
7.根据权利要求1-6任一项所述的相变材料，其特征在于，所述相变层还包括碲原子Te，所述超晶格夹层包括碲原子Te。
8.根据权利要求1-6任一项所述的相变材料，其特征在于，所述相变层还包括碲原子Te，所述超晶格夹层包括碲原子Te及钪原子Sc。
9.根据权利要求1-7任一项所述的相变材料，其特征在于，所述相变层的厚度大于等于1nm，小于等于10nm。
10.一种相变存储器，包括多个相变存储单元，每个相变存储单元包括权利要求1-9任一项所述的相变材料、第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极通过所述相变材料连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210720 |