相变存储器用Ga-Sb薄膜的结构稳定性和电学性能

【作者】 尹琦璕； 陈冷；

【机构】 北京科技大学材料科学与工程学院；

【摘要】 相变存储器是通过材料相变来实现信息存储的一种存储器,材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换,实现信息的读取、写入和擦除。目前研究最广泛的相变存储器材料主要是以Ge-Sb-Te三元合金为代表的硫属化合物,在基础研究和工业应用方面均取得较大进展。随着信息技术迅猛发展,要求相变存储器有更高的结晶温度、更低的熔融温度和更低的功耗等等。已有研究表明,相变存储器材料中的Te元素可能会影响硫系合金的热稳定性和数据保持性。因此,近年来研究和开发了不含Te、富Sb的Ga-Sb相变存储器材料,具有特殊的结晶行为,体积变化小,结晶速度快和热稳定性高等等。本文用磁控溅射共溅射的方法在SiO₂/Si基底上沉积了不同Sb含量的Ga-Sb薄膜,讨论了Ga-Sb薄膜的结构稳定性、热稳定性和电学性能。用X射线反射（XRR）研究了Ga-Sb薄膜非晶态与晶态转变时的结构稳定性,证明通过调节Ga:Sb的原子比,Ga₅₅Sb₄₅薄膜的厚度变化与密度变化相对于Ga₂₀Sb₈₀有所减小（1.5%）,且均小于Ge-Sb-Te体系。在相变存储器材料中质量密度变化过大会在单元中引起相机械应力,导致孔洞的形成以及存储器失效。同时结合X射线衍射（XRD）与背散射电子衍射（EBSD）,证明Ga-Sb薄膜中存在立方GaSb相和三方Sb相。并且Ga-Sb薄膜中{111}和{101}取向晶粒生长明显,而Ga₅₅Sb₄₅薄膜中晶粒生长更加均匀,是Ga-Sb薄膜结构稳定性提高的关键。另一方面,电阻-温度（R-T）曲线证明Ga-Sb薄膜的结晶温度比传统Ge₂Sb₂Te₅薄膜的结晶温度高36℃,并且随着Ga含量的增加Ga-Sb薄膜的热稳定性会进一步提高。通过计算Ga-Sb薄膜的电导激活能,发现随着Sb含量的增加,Ga-Sb薄膜的电导率活化能降低,从而提高了Ga-Sb薄膜电导率的温度稳定性。Sb元素的加入增强了Ga-Sb薄膜的金属特性,可以提高Ga-Sb薄膜的电学性能。因此,具有较好的结构稳定性和电学性能的Ga-Sb薄膜在相变存储器工作过程中具有更高的可靠性、可循环性和耐久性。更多还原