CN115000295A - 一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器 - Google Patents

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CN115000295A CN202210503057.8A CN202210503057A CN115000295A CN 115000295 A CN115000295 A CN 115000295A CN 202210503057 A CN202210503057 A CN 202210503057A CN 115000295 A CN115000295 A CN 115000295A
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杨红心
周凌珺
刘峻
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Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd
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Yangtze River Advanced Storage Industry Innovation Center Co Ltd
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Abstract

本申请实施例提供一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器。所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。

Description

一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器
技术领域
本申请实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器。
背景技术
相变存储器(Phase-change Random Access Memory，PCRAM)利用电脉冲作用产生的焦耳热使得存储介质在晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)之间相互转换，低阻态和高阻态之间的阻值差异明显，从而实现信息的写入与擦除，信息的读取则靠测量电阻的变化来实现。其中，从非晶态转换为晶态的相变过程为SET转换过程，从晶态转换为非晶态的相变过程为RESET转换过程。
存储介质是存储器的核心组成部分，相变存储器的存储介质是相变材料。这里，相变材料一般有两种结构：非晶态和晶态。当相变材料在非晶态时，具有短程有序性，呈现高电阻；当相变材料在晶态时，具有长程有序性，呈现低电阻。相变材料的性能优劣直接影响到相变存储器的性能优劣。
因此，目前仍有待于进一步改进相变材料的结构以提高相变材料的性能，从而提高相变存储器的性能。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个技术问题而提供一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器。
为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：
第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；
至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；
其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
在一些实施例中，所述第一相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素；
所述第二相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括一个掺杂层，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料或所述第二相变层的材料。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；所述第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，所述第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
在一些实施例中，所述掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
在一些实施例中，所述第一掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述第二掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
在一些实施例中，所述掺杂层中的掺杂元素包括以下至少之一：碳C、氮N和氧O。
第二方面，本申请实施例提供一种超晶格结构的制备方法，所述方法包括：
形成第一相变层；其中，所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第一掺杂浓度大于或等于0；
在所述第一相变层上形成掺杂层；
在所述掺杂层上形成第二相变层；其中，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第二掺杂浓度大于或等于0；
所述第一相变层、所述掺杂层和所述第二相变层构成所述超晶格结构的重复单元；所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
第三方面，本申请实施例提供一种相变存储器，所述相变存储器包括多个相变存储单元，每个所述相变存储单元包括第一电极层、相变存储层、第二电极层、选通层和第三电极层；其中，所述相变存储层包括上述技术方案中所述的超晶格结构。
本申请实施例提供一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器。所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。进一步的，将本申请实施例提供的超晶格结构用于制作相变存储层应用于相变存储器内，能够降低相变存储器的晶态转换为非晶态的电流以降低相变存储器的功耗，增加相变存储器的循环次数以增加相变存储器的使用寿命。
附图说明
图1为本申请实施例提供的超晶格结构的剖面示意图；
图2A为本申请一具体示例提供的超晶格结构的剖面示意图；
图2B为本申请另一具体示例提供的超晶格结构的剖面示意图；
图3为本申请一具体示例提供的包括两个掺杂层的超晶格结构的剖面示意图；
图4为本申请实施例提供的超晶格结构的制备方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的相变存储器的剖面示意图；
图中包括：10、重复单元；11、第一相变层；12、第二相变层；13、掺杂层；20、重复单元；211、GeTe层；212、Sb2Te3层；213、N掺杂GeTe层；214、N掺杂Sb2Te3层；30、重复单元；311、GeTe层；312、Sb2Te3层；313、N掺杂GeTe层；314、N掺杂Sb2Te3层；511a、第一个第一导电线；511b、第二个第一导电线；512、第二导电线；520a、520b、相变存储单元；531、第一电极层；532、第二电极层；533、第三电极层；541、第一导电层；542、第二导电层；550、相变存储层；560、选通层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式及附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。
相变存储器利用电脉冲作用产生的焦耳热使得存储介质在晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)之间相互转换，低阻态和高阻态之间的阻值差异明显，从而实现信息的写入与擦除，信息的读取则靠测量电阻的变化来实现。存储介质是存储器的核心组成部分，相变存储器的存储介质是相变材料。其中，从非晶态转换为晶态的相变过程为SET转换过程，从晶态转换为非晶态的相变过程为RESET转换过程。
具体地，RESET转换过程为数据的写入过程，通过对相变材料施加一个短而强的电脉冲，电能转变成热能，使得相变材料的温度升高到熔点(Tm)以上，然后通过快速冷却，使得相变材料原有的化学键遭到断裂且来不及重新排列成键，以致晶态的长程有序遭到破坏，形成了长程无序短程有序的非晶态，实现由晶态向非晶态的转换，此时相变存储器呈现为高阻态。
SET转换过程为数据的擦除过程，通过对相变材料施加一个长且强度中等的电脉冲，电能转变成热能，使得相变材料的温度升高到晶化温度(Tc)以上、熔点以下，并保持一定的时间，使得相变材料由非晶态转化为晶态，此时相变存储器呈现为低阻态。
READ过程为数据的读取过程，通过对相变材料施加一定强度的电压脉冲，读取相变材料的电阻值来实现。如果此时相变存储器处于低阻态，则逻辑值为“0”；如果此时相变存储器处于高阻态，则逻辑值为“1”。在读取过程中，施加的电脉冲强度很弱，产生的热量只能使得相变材料的温度升高到结晶温度以下，并不会引起材料相变。
相关技术方案中采用锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)元素组成的相变材料，然而基于锗锑碲(GeSbTe，GST)相变材料的存储介质，仍然存在高RESET电流和低循环的问题。
有鉴于此，可以提供一种超晶格结构，即由几种成分不同的超薄层周期性堆叠起来而构成的一种特殊晶体。
需要说明的是，超晶格结构(例如，GeTe/Sb2Te3)由于其界面处存在较大的热阻，阻碍界面处的热传导，因此，超晶格结构的热导率比其组元(例如，GeTe和Sb2Te3)以及三元化合物(例如，Ge2Sb2Te5)的热导率均小。并且，随着相变材料热导率的减小，电流和温度场在相变区域的分布更为集中，热能的利用率大大提高，可以在更短的时间内积聚足够的能量发生相变，从而能够减小RESET电流。
然而，将包括两个二元化合物层的超晶格结构制成相变存储层，应用于相存储器的过程中，超晶格结构内两个二元化合物层之间可能会相互扩散直至界面消失，那么超晶格结构所带来的低RESET电流和高循环的优势也会随之消失。
有鉴于此，本申请实施例提供一种超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，掺杂层和第一相变层以及掺杂层和第二相变层之间均形成一定的掺杂浓度差，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，确保第一相变层和第二相变层之间具有稳定的界面，从而形成更加稳定的超晶格结构。
本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：
第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；
至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；
其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
参考图1，图1为本申请实施例提供的超晶格结构的剖面示意图。如图1所示，本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元10，每个重复单元10包括：第一相变层11和第二相变层12；第一相变层11具有第一掺杂浓度，第二相变层12具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；掺杂层13，位于第一相变层11和第二相变层12之间；掺杂层13的材料包括第一相变层11和/或第二相变层12的材料；其中，掺杂层13的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且掺杂层13的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。图1示出了每个重复单元包括一个掺杂层的情况。
这里，所述第一相变层和所述第二相变层均由相变材料制成。通过热效应可以实现第一相变层和第二相变层在晶态和非晶态之间的可逆转换。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括一个掺杂层，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料或所述第二相变层的材料。
在另一些实施例中，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
这里，所述掺杂层包括所述第一相变层和/或所述第二相变层的材料。需要说明的是，每个重复单元包括一个掺杂层时，掺杂层可以包括第一相变层的材料以及掺杂元素，或者掺杂层可以包括第二相变层的材料以及掺杂元素。每个重复单元包括两个掺杂层时，两个掺杂层中的第一掺杂层可以包括第一相变层的材料和掺杂元素，两个掺杂层中的第二掺杂层可以包括第二相变层的材料和掺杂元素。
本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，掺杂层和第一相变层以及掺杂层和第二相变层之间均形成一定的掺杂浓度差，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
在本申请实施例中，第一相变层的第一掺杂浓度、第二相变层的第二掺杂浓度以及掺杂层的掺杂浓度均可以使用原子百分数或者重量百分数作为掺杂浓度的单位。
在一些实施例中，所述第一相变层可以具有第一掺杂浓度，所述第二相变层可以具有第二掺杂浓度，第一掺杂浓度和第二掺杂浓度均可以大于0。所述掺杂层的掺杂浓度高于所述第一相变层的第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度高于所述第二相变层的第二掺杂浓度。这里，对第一相变层、第二相变层以及掺杂层均进行不同程度的掺杂，使得掺杂层与第一相变层以及掺杂层与第二相变层之间均存在掺杂浓度差。如此，与第一相变层或第二相变层相比较而言，掺杂层具有较高浓度的掺杂元素，掺杂层可以限制第一相变层和第二相变层之间的扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
在一些实施例中，所述第一相变层可以具有第一掺杂浓度，所述第二相变层可以具有第二掺杂浓度，第一掺杂浓度和第二掺杂浓度均可以等于0。换言之，所述第一相变层和所述第二相变层为未掺杂相变层。这里，第一相变层和第二相变层不具有掺杂元素，仅掺杂层具有掺杂元素。如此，掺杂层与第一相变层以及掺杂层与第二相变层之间也能产生掺杂浓度差。进一步的，与第一相变层或第二相变层相比较而言，掺杂层具有掺杂元素，掺杂层的晶粒细化，掺杂层可以限制第一相变层和第二相变层之间的扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
在本申请实施例中，第一掺杂浓度和第二掺杂浓度可以相同或者不同。
在本申请实施例中，掺杂层的掺杂浓度可以是均一的，即在掺杂层的任何位置，掺杂浓度均相同；掺杂层的掺杂浓度也可以是不均一的，即在掺杂层的不同位置，掺杂浓度不同。
在一些实施例中，所述掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
这里，在每个重复单元包括至少一个掺杂层的情况下，掺杂层的掺杂浓度与第一相变层的第一掺杂浓度的差值大于或等于10％，掺杂层的掺杂浓度与第二相变层的第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
在一些实施例中，所述第一掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述第二掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
这里，在每个重复单元包括两个掺杂层的情况下，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；所述第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，所述第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料；所述第一掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述第二掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
这里，在第一相变层和第二相变层为未掺杂相变层的情况下，掺杂层的掺杂浓度大于或等于10％。通过调整掺杂层的掺杂浓度，使得掺杂层与第一相变层以及掺杂层与第二相变层之间形成掺杂浓度差，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。或者，也可以在第一相变层的第一掺杂浓度大于0和第二相变层的第二掺杂浓度大于0的情况下，掺杂层与第一相变层以及掺杂层与第二相变层之间的掺杂浓度差大于或等于10％。通过调整掺杂层、第一相变层的第一掺杂浓度以及第二相变层的第二掺杂浓度，使得掺杂层与第一相变层以及掺杂层与第二相变层之间形成掺杂浓度差，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
在一些实施例中，所述掺杂层中的掺杂元素包括以下至少之一：碳C、氮N和氧O。
这里，掺杂层中的掺杂元素可以包括C、N、O或者其任意组合。当然，当掺杂层具有两种及以上掺杂元素时，掺杂层内不同掺杂元素之间的比例可以由本领域技术人员根据需求进行调整，满足掺杂层的掺杂浓度高于第一相变层的第一掺杂浓度且掺杂层的掺杂浓度高于第二相变层的第二掺杂浓度即可。
在一些实施例中，所述掺杂层的厚度与所述第一相变层或者所述第二相变层的厚度的比值约为1:1。需要说明的是，在超晶格结构的重复单元内增加掺杂层后，重复单元的厚度随之增加，进而包括多个重复单元的超晶格结构的厚度也随之增加。当然，为了避免超晶格结构的厚度增加过多，也可以适当地减小第一相变层和第二相变层的厚度。如此，通过减小第一相变层和第二相变层的厚度，弥补设置掺杂层后带来的厚度增加，以保持重复单元的厚度不变或者稍微增加，进而保持超晶格结构的厚度不变或者稍微增加。
在一些实施例中，所述掺杂层的厚度小于5nm。可以举例的是，掺杂层的厚度可以为2nm、3nm或者4nm。
在本申请实施例中，超晶格结构包括多个层叠设置的重复单元，对于重复单元的数量并无限制。本领域技术人员可以根据使用需求，应用具有不同数量的重复单元的超晶格结构。可以举例的是，超晶格结构可以包括6、7或者8个重叠设置的重复单元。
在一些实施例中，所述第一相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素；
所述第二相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素。
这里，第一相变层的材料可以包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素形成的二元化合物，第二相变层的材料可以包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素形成的二元化合物，其中，第一相变层和第二相变层的材料不同，即第一相变层和第二相变层的材料为不同的二元化合物。
这里，第一相变层的材料可以包括Ge-Sb二元化合物、Sb-Te二元化合物或者Ge-Te二元化合物；第二相变层的材料可以包括Ge-Sb二元化合物、Sb-Te二元化合物或者Ge-Te二元化合物。
参考图2A和图2B，图2A为本申请一具体示例提供的超晶格结构的剖面示意图；图2B为本申请另一具体示例提供的超晶格结构的剖面示意图。如图2A所示，本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括多个层叠设置的重复单元20，每个重复单元20包括GeTe层211和Sb2Te3层212，N掺杂GeTe层213位于GeTe层211和Sb2Te3层212之间。其中，GeTe层211作为第一相变层，Sb2Te3层212作为第二相变层，N掺杂GeTe层213作为掺杂层。这里，GeTe层211和Sb2Te3层212均为未掺杂相变层，即，GeTe层211的第一掺杂浓度和Sb2Te3层212的第二掺杂浓度均可视为0，因此，N掺杂GeTe层213的掺杂浓度高于GeTe层211的第一掺杂浓度且N掺杂GeTe层213的掺杂浓度高于Sb2Te3层212的第二掺杂浓度。
如图2B所示，本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括多个层叠设置的重复单元20，每个重复单元20包括GeTe层211和Sb2Te3层212，N掺杂Sb2Te3层214位于GeTe层211和Sb2Te3层212之间。其中，GeTe层211作为第一相变层，Sb2Te3层212作为第二相变层，N掺杂Sb2Te3层214作为掺杂层。这里，GeTe层211和Sb2Te3层212均为未掺杂相变层，即，GeTe层211的第一掺杂浓度和Sb2Te3层212的第二掺杂浓度均可视为0，因此，N掺杂Sb2Te3层214的掺杂浓度高于GeTe层211的第一掺杂浓度且N掺杂GeTe层213的掺杂浓度高于Sb2Te3层212的第二掺杂浓度。
仍参考图2A和图2B，在第一相变层和第二相变层之间形成一个掺杂层。图2A示出的第一相变层为GeTe层，掺杂层为N掺杂GeTe层，此时掺杂层的材料包括第一相变层的材料。图2B示出的第二相变层为Sb2Te3层，掺杂层为N掺杂Sb2Te3层，此时掺杂层的材料包括第二相变层的材料。
本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成一个掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，通过掺杂层限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
这里，第一掺杂层的材料可以包括第一相变层的材料以及掺杂元素，第二掺杂层的材料可以包括第二相变层的材料以及掺杂元素，如此有利于第一掺杂层与第一相变层、第二掺杂层与第二相变层之间的界面接触。
参考图3，图3为本申请一具体示例提供的包括两个掺杂层的超晶格结构的剖面示意图。如图3所示，本申请实施例提供一种超晶格结构，所述超晶格结构包括多个层叠设置的重复单元30，每个重复单元30包括GeTe层311和Sb2Te3层312，N掺杂GeTe层313和N掺杂Sb2Te3层314位于GeTe层311和Sb2Te3层312之间。这里，GeTe层311和Sb2Te3层312均为未掺杂相变层，即，GeTe层311的第一掺杂浓度和Sb2Te3层312的第二掺杂浓度均可视为0，因此，N掺杂GeTe层313的掺杂浓度大于GeTe层311的第一掺杂浓度，且N掺杂Sb2Te3层314的掺杂浓度高于Sb2Te3层312的第二掺杂浓度。
仍参考图3，在第一相变层和第二相变层之间形成两个掺杂层。图3示出的第一相变层为GeTe层，第二相变层为Sb2Te3层，第一掺杂层为N掺杂GeTe层，第二掺杂层为N掺杂Sb2Te3层。此时，第一掺杂层的材料包括第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括第二相变层的材料。N掺杂GeTe层与GeTe层接触，N掺杂Sb2Te3层与Sb2Te3层接触。
本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成两个掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，通过掺杂层限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。
参考图4，图4为本申请实施例提供的超晶格结构的制备方法的流程示意图。如图4所示，本申请实施例提供一种超晶格结构的制备方法，所述方法包括：
步骤S401、形成第一相变层；其中，所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第一掺杂浓度大于或等于0；
步骤S402、在所述第一相变层上形成掺杂层；
步骤S403、在所述掺杂层上形成第二相变层；其中，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第二掺杂浓度大于或等于0；所述第一相变层、所述掺杂层和所述第二相变层构成所述超晶格结构的重复单元；所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
这里，形成第一相变层、掺杂层和第二相变层可以使用物理气相沉积法、化学气相沉积法、原子层沉积法、蒸发法中任意一种。可以举例的是，可以使用物理气相沉积法中的磁控溅射法来制备超晶格结构，也可以使用蒸发法中的电子束蒸发法来制备超晶格结构。
在本申请的具体实施例中，可以使用磁控溅射法制备得到超晶格结构。溅射系统包括固定溅射靶材以及衬底的腔室。溅射靶材以及衬底被耦合至用以在溅射过程器件施加偏压的电源供应器以及控制器。所施加的偏压可为直流电、脉冲直流电、射频及其组合，而且由控制器来开启、关闭以及调控溅射过程。溅射腔室配置有真空泵用于将腔室抽真空；而且腔室还配置有惰性气体(例如，氮气或者氩气)或者反应性气体(例如，氧气)的进气口。
在一些实施例中，可以使用共溅射(cosputtering)法制备得到超晶格结构。具体地，可以选取Sb靶材、Te靶材以及Ge靶材，置于溅射腔室内的溅射靶材上固定好；对溅射腔室抽真空，通入氩气以调整溅射腔室内的压力；调整Ge靶材和Te靶材的功率旋钮进行共溅射，在衬底上形成GeTe层，即第一相变层；向溅射腔室内提供作为氮源的气体(例如，氨气)，调整Ge靶材和Te靶材的功率旋钮进行共溅射，在第一相变层上形成N掺杂GeTe层，即掺杂层；调整Sb靶材和Te靶材的功率旋钮进行共溅射，在第一相变层上形成Sb2Te3层，即第二相变层。如此能够得到一个重复单元，继续执行上述步骤，得到多个重复单元以构成超晶格结构。
在另一些实施例中，也可以使用溅射法结合离子注入工艺制备得到超晶格结构。具体地，可以选取GeTe靶材和Sb2Te3靶材，置于溅射腔室内的溅射靶材上固定好；对溅射腔室抽真空，通入氩气以调整溅射腔室内的压力；使用GeTe靶材进行溅射，在衬底上形成GeTe层，即第一相变层；使用离子注入工艺，控制离子注入深度，在第一相变层上形成N掺杂GeTe层，即掺杂层；使用Sb2Te3靶材进行溅射，在掺杂层上形成Sb2Te3层，即第二相变层。如此能够得到一个重复单元，继续执行上述步骤，得到多个重复单元以构成超晶格结构。
在一些实施例中，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
本申请实施例提供一种相变存储器，所述相变存储器包括多个相变存储单元，每个所述相变存储单元包括第一电极层、相变存储层、第二电极层、选通层和第三电极层；其中，所述相变存储层包括上述技术方案中所述的超晶格结构。
如前所述，将本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。将本申请实施例提供的超晶格结构制成相变存储层，应用于相变存储器内，由于本申请实施例提供的超晶格结构更加稳定，即，第一相变层和第二相变层之间的界面更加稳定，界面处存在较大的热阻，能够阻碍界面处的热传导，因此这里的相变存储层对热能的利用率大大提高，从而能够减小RESET电流以降低相变存储器的功耗。进一步的，由于本申请实施例提供的超晶格结构更加稳定，因此这里的相变存储层也更加稳定，能够增加相变存储器的循环次数以增加相变存储器的使用寿命。
参考图5，图5为本申请实施例提供的相变存储器的剖面示意图。如图5所示，相变存储器由上至下依次包括：第一个第一导电线511a，第一相变存储阵列、第二导电线512、第二相变存储阵列、第二个第一导电线511b以及衬底(图5中未示出)。其中，第一相变存储阵列包括平行于衬底并列设置的多个相变存储单元520a，第二相变存储阵列包括平行于衬底并列设置的多个相变存储单元520b。
需要说明的是，本文中使用的“由上至下”指的是由远离衬底表面的方向至靠近衬底表面的方向。
这里，第一导电线和第二导电线的材料可以包括导电材料。导电材料包括但不限于钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)、铝(Al)、多晶硅、掺杂多晶硅或者其任何组合。第一导电线和第二导电线可以具有相同的导电材料，也可以具有不同的导电材料。
需要说明的是，设置第一导电线的第一平面和设置第二导电线的第二平面平行，且第一平面与第二平面不重叠。相变存储单元位于第一平面和第二平面之间，且相变存储单元与第一平面和第二平面均垂直。
仍参考图5，相变存储单元520a和相变存储单元520b的结构可以相同。相变存储单元520a由上至下依次包括：第一电极层531、第一导电层541、相变存储层550、第二导电层542、第二电极层532、选通层560以及第三电极层533。
仍参考图5，第三电极层533位于选通层560和第二导电线512之间，选通层560位于第二电极层532和第三电极层533之间。需要说明的是，第一电极层531、第二电极层532和第三电极层533表示的是相变存储单元中的电极层，其包括的材料可以相同或者不同，不同的附图标记仅仅用于区分电极层位置上的不同，不用于描述特定的顺序或者先后次序。
在一些实施例中，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层的材料可以包括非晶碳，例如α相碳。这里，电极层可用于传导电信号。
这里，第一导电层位于第一电极层和相变存储层之间，用于阻挡第一电极层和相变存储层之间的扩散；第二导电层位于第二电极层和相变存储层之间，用于阻挡第二电极层和相变存储层之间的扩散。
在相变存储器中，通过施加电压驱动相变存储层发生相变。然而，施加的驱动电压会在相变存储层附近形成局部的高温，在高温的作用下，电极层的组成材料可能会向相变存储层中扩散，和/或，相变存储层的材料也可能会向电极层中扩散。
需要说明的是，相较于电极层和相变存储层直接接触，通过在电极层与相变存储层之间设置第一导电层或者第二导电层，可以阻挡局部高温引起的电极层和相变存储层之间发生扩散，有利于保证电极层和相变存储层各自的组成稳定性较高，进而保证相变存储器的可靠性较好。
在一些实施例中，所述第一导电层和所述第二导电层的材料可以包括导电材料。导电材料包括但不限于钨(W)、铂(Pt)或其任何组合。其中，第一导电层和第二导电层可以具有相同的导电材料，也可以具有不同的导电材料。
这里，选通层的材料可以包括阈值选择开关(Ovonic Threshold Switching，OTS)材料，例如，ZnaTeb、GeaTeb、NbaOb或者SiaAsbTec等等，其中，a、b、c为正数。
本申请实施例提供一种超晶格结构及其制备方法、相变存储器。所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。本申请实施例提供的超晶格结构，在第一相变层和第二相变层之间形成掺杂层，掺杂层的掺杂浓度大于第一相变层的第一掺杂浓度，且掺杂层的掺杂浓度大于第二相变层的第二掺杂浓度，从而限制第一相变层和第二相变层之间的相互扩散，形成更加稳定的超晶格结构。进一步的，将本申请实施例提供的超晶格结构用于制作相变存储层应用于相变存储器内，能够降低相变存储器的晶态转换为非晶态的电流以降低相变存储器的功耗，增加相变存储器的循环次数以增加相变存储器的使用寿命。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的优选实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超晶格结构，其特征在于，所述超晶格结构包括层叠设置的多个重复单元，每个所述重复单元包括：
第一相变层和第二相变层；所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度和所述第二掺杂浓度均大于或等于0；
至少一个掺杂层，位于所述第一相变层和所述第二相变层之间；所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；
其中，所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的超晶格结构，其特征在于，
所述第一相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素；
所述第二相变层的材料包括锗Ge元素、锑Sb元素和碲Te元素中任意两种元素。
3.根据权利要求1所述的超晶格结构，其特征在于，每个所述重复单元包括一个掺杂层，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料或所述第二相变层的材料。
4.根据权利要求1所述的超晶格结构，其特征在于，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；所述第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，所述第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
5.根据权利要求3所述的超晶格结构，其特征在于，所述掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
6.根据权利要求4所述的超晶格结构，其特征在于，所述第一掺杂层的掺杂浓度与所述第一掺杂浓度的差值大于或等于10％；所述第二掺杂层的掺杂浓度与所述第二掺杂浓度的差值大于或等于10％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超晶格结构，其特征在于，所述掺杂层中的掺杂元素包括以下至少之一：碳C、氮N和氧O。
8.一种超晶格结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
形成第一相变层；其中，所述第一相变层具有第一掺杂浓度，所述第一掺杂浓度大于或等于0；
在所述第一相变层上形成掺杂层；
在所述掺杂层上形成第二相变层；其中，所述掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料和/或所述第二相变层的材料；所述第二相变层具有第二掺杂浓度，所述第二掺杂浓度大于或等于0；
所述第一相变层、所述掺杂层和所述第二相变层构成所述超晶格结构的重复单元；所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度，且所述掺杂层的掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
9.根据权利要求8所述的超晶格结构的制备方法，其特征在于，每个所述重复单元包括两个掺杂层，所述两个掺杂层中的第一掺杂层与所述第一相变层接触，所述两个掺杂层中的第二掺杂层与所述第二相变层接触；第一掺杂层的材料包括所述第一相变层的材料，第二掺杂层的材料包括所述第二相变层的材料。
10.一种相变存储器，其特征在于，所述相变存储器包括多个相变存储单元，每个所述相变存储单元包括第一电极层、相变存储层、第二电极层、选通层和第三电极层；其中，所述相变存储层包括权利要求1至7中任一项所述的超晶格结构。
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