CN106611814B - 用于相变存储器的相变材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于相变存储器的相变材料及其制备方法，用于相变存储器的相变材料的化学通式为Sc_{100‑x‑y‑z}Ge_xSb_yTe_z，其中，0≤x≤60，0≤y≤90，0＜z≤65，0＜100‑x‑y‑z＜100。本发明的可用于相变存储的相变材料，具有反复相变的能力；Sc_{100‑x‑y‑z}Ge_xSb_yTe_z具有高阻和低阻两种不同阻值的状态，且高阻值态与低阻值态之间可以通过施加脉冲电信号实现可逆转换，满足相变存储器存储材料的基本要求，是一种新型的存储材料；材料的热稳定性、相变速度以及疲劳循环特性得到了提高；可采用脉冲电压或脉冲激光驱动相变材料在不同的结构状态之间发生可逆转变，同时使相变材料的性能发生可逆变化，从而实现相变存储器的信息存储。

Description

用于相变存储器的相变材料及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及一种用于相变存储器的相变材料Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z及其制备方法。

背景技术

信息的存储技术的发展是人类文明进步的体现。从晶体管的发明到集成电路的问世，人类迎来了辉煌的信息时代。信息技术的高速发展推动着存储技术朝着非易失性、高速、低的操作功耗以及好的循环特性方向快速发展。作为目前主流的非易失性存储技术，闪存得到了广泛应用。但是，随着集成电路的飞速发展，闪存有限的循环次数、慢的操作速度、高的操作电压等缺点限制了其进一步的应用。因此，寻求代替闪存的新一代非易失性存储器成为信息技术进步的必经之路。

相变存储器由于具有高速读取、高循环次数，非易失性，元件尺寸小，功耗低、抗强震动和抗辐照等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器的基本原理是利用器件中存储材料在高电阻(非晶态)和低电阻(晶态)之间的可逆转变来实现“1”和“0”的存储。通过利用电信号控制实现存储材料高电阻的连续变化可以实现多级存储，从而大幅提高存储器的信息存储能力。

常用的相变存储材料体系主要是碲基材料，如Ge-Sb-Te、Si-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te等。特别是GST(Ge-Sb-Te)已经广泛应用于相变光盘和相变存储器。但也存在如下问题：1，结晶温度较低，芯片陈列中相邻单元串扰问题严重，面临着数据丢失的危险，制约了其应用领域；2，热稳定性不好，数据保持力得不到保证；3，相变速度有待进一步提高，有研究表明基于GST的相变存储器实现稳定RESET操作的电脉冲至少为500纳秒，无法满足动态随机存储器的速度要求。这需要探索具有更快相变速度的存储材料。

因而，如何提供一种具有更好的热稳定性，更快的相转变速度和更小的操作电流，且有益于提高基于该材料的相变存储器的循环操作寿命的相变材料，是当前技术领域需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于相变存储器的相变材料及其制备方法，用于解决现有技术中相变材料存在的结晶温度低、热稳定性不高、数据保持力不好及相变速度慢的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于相变存储器的相变材料，所述用于相变存储器的相变材料的化学通式为Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z，其中，0≤x≤60，0≤y≤90，0＜z≤65，0＜100-x-y-z＜100。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，在所述Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z中，x＝0，0＜y≤80。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，在所述Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z中，0＜x≤50，y＝0。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，在所述Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z中，0＜x≤50，0＜y≤80。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，在所述Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z中，x＝y＝0。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料包括高阻值态和低阻值态；所述高阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的非晶态，所述低阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的全部或部分结晶态。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料在电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动下可实现电阻率的可逆转变。

本发明还提供一种如上述任意一项所述的用于相变存储器的相变材料的制备方法，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：根据化学通式Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z中Sc、Ge、Sb及Te的不同配比，采用磁控溅射法、化学气相淀积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法或电镀法制备所述用于相变存储器的相变材料。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的制备方法的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sc单质靶与Sb₂Te₃合金靶共溅射、Sc单质靶与Sb₂Te合金靶共溅射或Sc单质靶与Sb单质靶及Te单质靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sc单质靶采用直流电源，Sb₂Te₃合金靶、Sb₂Te合金靶、Sb单质靶及Te单质靶均采用射频电源。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的制备方法的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sb₂Te₃合金靶及Sc₂Te₃合金靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sb₂Te₃合金靶采用射频电源，Sc₂Te₃合金靶采用射频电源。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的制备方法的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sc₂Te₃合金靶与Ge₂Sb₂Te₅合金靶共溅射或Sc单质靶与Ge单质靶、Sb单质靶及Te单质靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sc单质靶采用直流电源，Sc₂Te₃合金靶、Ge₂Sb₂Te₅合金靶、Ge单质靶、Sb单质靶及Te单质靶均采用射频电源。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的制备方法的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sc单质靶、Ge单质靶及Te单质靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sc单质靶采用直流电源，Ge单质靶采用射频电源，Te单质靶采用射频电源。

作为本发明的用于相变存储器的相变材料的制备方法的一种优选方案，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sc单质靶及Te单质靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sc单质靶采用直流电源，Te单质靶采用射频电源。

如上所述，本发明的用于相变存储器的相变材料Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z及其制备方法，具有以下有益效果：本发明提出的可用于相变存储的相变材料，具有反复相变的能力；Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z具有高阻和低阻两种不同阻值的状态，且高阻值态与低阻值态之间可以通过施加脉冲电信号实现可逆转换，满足相变存储器存储材料的基本要求，是一种新型的存储材料；材料的热稳定性、相变速度以及疲劳循环特性得到了提高；可采用脉冲电压或脉冲激光驱动相变材料在不同的结构状态之间发生可逆转变，同时使相变材料的性能发生可逆变化，从而实现相变存储器的信息存储。

附图说明

图1显示为本发明所提供的用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变薄膜材料电阻对数随温度变化趋势。

图2显示为本发明所提供的用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变薄膜材料的数据保持力拟合关系曲线。

图3显示为本发明所提供的用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料用于相变存储单元中，所形成的器件单元电阻与所施加的电压脉冲的关系，脉冲宽度为10ns。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种用于相变存储器的相变材料，所述用于相变存储器的相变材料的化学通式为Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z，其中，0≤x≤60，0≤y≤90，0＜z≤65，0＜100-x-y-z＜100。所述用于相变存储器的相变材料可以采用磁控溅射法、化学气相淀积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法或电镀法制备而得到。

作为示例，所述用于相变存储器的相变材料包括高阻值态和低阻值态，且所述用于相变存储器的相变材料高阻态时的电阻值至少为低阻态时电阻值的100倍；所述高阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的非晶态，所述低阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的全部或部分结晶态。

作为示例所述用于相变存储器的相变材料在电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动下可实现电阻率的可逆转变。

为了便于理解本发明的技术方案，下面以具体的实施例予以详细说明。

实施例一

本实施例提供一种用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料体系，其中，所述相变材料体系为在Sb₂Te₃相变材料体系基础上掺Sc而成，其化学通式为Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z，其中，x＝0，0＜y≤80。

所述相变材料通过电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动实现可逆相转变，实现数据存储的功能。

具体地，在本实施例中，所述Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料的化学通式为Sc₅Sb₃₈Te₅₇，并采用Sb₂Te₃合金靶与Sc单质靶共溅射的方式获得Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sb₂Te₃合金靶采用射频电源，Sc靶采用直流电源进行溅射，溅射时间30分钟，获得的Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜厚度为180nm。

图1显示为Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜电阻随温度的变化曲线。所用的升温速率为20℃/min。Sb₂Te₃的非晶热稳定性较差，在室温沉积态下呈现多晶形态。当对Sb₂Te₃进行Sc掺杂时，少量的Sc元素可以使得Sb₂Te₃的沉积态电阻提升，提高了高低电阻态比值，提高了存储空间的容噪空间。并且，室温沉积态下，Sc-Sb-Te表现出非晶态，结晶温度达到了235℃，高的结晶温度有利于提高非晶态的稳定性。

图2显示为Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜根据阿瑞尼乌斯公式推算不同数据保持时间所对应的温度的关系。保持力是相变材料的重要特性，是相稳定性的集中反映。由图中可知，Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜可以在室温下保持非晶状态，其十年数据保持温度为156℃。

图3显示为基于Sc₅Sb₃₈Te₅₇薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，测试所用的电压脉冲为10ns。从图3中可知，在10ns宽的脉冲作用下，材料仍能实现高低阻值之间的转变，体现了材料的快速相变特性。

本发明的用于相变存储器的形变材料具有皮秒级擦写操作时间，且具有反复相变的能力，具有不低于10⁷的循环次数。

实施例二

本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于把实施例一中的Sb₂Te₃合金靶改变为Sb₂Te合金靶。其余步骤与实施例一完全相同。所得到的相应器件的电学性能亦能达到相近的效果。

实施例三

本实施例提供一种用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料体系，其中，所述相变材料体系为构造Sc₂Te₃-Sb₂Te₃伪二元相变材料体系，其化学通式为Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe，其中，x＝0，0＜y≤80。

所述相变材料通过电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动实现可逆相转变，实现数据存储的功能。

具体地，在本实施例中，所述Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料的化学通式为Sc₂₀Sb₂₀Te₆₀，并采用Sc单质靶、Sb单质靶和Te单质靶共溅射的方式获得Sc₂₀Sb₂₀Te₆₀薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sc靶采用直流电源，Sb靶采用射频电源，Te靶采用射频电源进行溅射，获得一定厚度的Sc₂₀Sb₂₀Te₆₀薄膜。

通过测试薄膜电阻随温度的变化曲线，得出Sc₂₀Sb₂₀Te₆₀结晶温度和十年数据保持力都比Ge₂Sb₂Te₅的好的结果。

通过测试基于Sc₂₀Sb₂₀Te₆₀薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，发现材料在较低脉冲作用下仍能实现高低阻值之间的转变，体现了材料的快速相变特性。

实施例四

本实施例与实施例三采用基本相同的技术方案，不同之处在于把实施例三中的Sc单质靶、Sb单质靶和Te单质靶三靶共溅射的方式改为Sb₂Te₃合金靶和Sc₂Te₃合金靶两靶共溅射，其中，Sb₂Te₃合金靶采用射频电源，Sc₂Te₃合金靶采用射频电源。其余步骤与实施例四完全相同，所得到的相应器件的电学性能亦能达到相近的效果。

实施例五

本实施例提供一种用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料体系，其中，所述相变材料体系为构造Sc₂Te₃-GeTe伪二元相变材料体系，其化学通式为Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤50，y＝0。

所述相变材料通过电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动实现可逆相转变，实现数据存储的功能。

具体地，在本实施例中，所述Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料的化学通式为Sc₂₂Ge₂₂Te₅₆，并采用Sc单质靶、Ge单质靶和Te单质靶共溅射的方式获得Sc₂₂Ge₂₂Te₅₆薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sc靶采用直流电源，Ge靶采用射频电源，Te靶采用射频电源进行溅射，获得一定厚度的Sc₂₂Ge₂₂Te₅₆薄膜。

通过测试薄膜电阻随温度的变化曲线，得出Sc₂₂Ge₂₂Te₅₆结晶温度和十年数据保持力都比Ge₂Sb₂Te₅的好的结果。

通过测试基于Sc₂₂Ge₂₂Te₅₆薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，发现材料在较低脉冲作用下仍能实现高低阻值之间的转变，体现了材料的快速相变特性。

实施例六

本实施例提供一种用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料体系，其中，所述相变材料体系为构造Sc₂Te₃-Ge₂Sb₂Te₅伪二元相变材料体系，其化学通式为Sc_{100-x-y- z}Ge_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤50，0＜y≤80。

所述相变材料通过电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动实现可逆相转变，实现数据存储的功能。

具体地，在本实施例中，所述Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料的化学通式为Sc₁₄Ge₁₄Sb₁₄Te₅₈，并采用Sc₂Te₃合金靶与Ge₂Sb₂Te₅合金靶共溅射的方式获得Sc₁₄Ge₁₄Sb₁₄Te₅₈薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sc₂Te₃靶采用射频电源，Ge₂Sb₂Te₅靶采用射频电源进行溅射，获得一定厚度的Sc₁₄Ge₁₄Sb₁₄Te₅₈薄膜。

通过测试薄膜电阻随温度的变化曲线，得出Sc₁₄Ge₁₄Sb₁₄Te₅₈结晶温度和十年数据保持力都比Ge₂Sb₂Te₅的好的结果。

通过测试基于Sc₁₄Ge₁₄Sb₁₄Te₅₈薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，发现材料在较低脉冲作用下仍能实现高低阻值之间的转变，体现了材料的快速相变特性。

实施例七

本实施例与实施例五采用基本相同的技术方案，不同之处在于把实施例五中的Sc₂Te₃合金靶与Ge₂Sb₂Te₅合金靶双靶共溅射的方式改变为Sc单质靶与Ge单质靶、Sb单质靶及Te单质靶四靶共溅射。其余步骤与实施例五完全相同。所得到的相应器件的电学性能亦能达到相近的效果。

实施例八

本实施例提供一种用于相变存储器的Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料体系，其中，所述相变材料体系为构造Sc-Te相变材料体系，其化学通式为Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z，其中，x＝y＝0。

所述相变材料通过电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动实现可逆相转变，实现数据存储的功能。

具体地，在本实施例中，所述Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z相变材料的化学通式为Sc₄₀Te₆₀，并采用Sc单质靶和Te单质靶共溅射的方式获得Sc₄₀Te₆₀薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sc靶采用直流电源，Te靶采用射频电源进行溅射，获得一定厚度的Sc₄₀Te₆₀薄膜。

通过测试薄膜电阻随温度的变化曲线，得出Sc₄₀Te₆₀结晶温度和十年数据保持力都比Ge₂Sb₂Te₅的好的结果。

通过测试基于Sc₄₀Te₆₀薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，发现材料在较低脉冲作用下仍能实现高低阻值之间的转变，体现了材料的快速相变特性。

综上所述，本发明提供一种用于相变存储器的相变材料，所述用于相变存储器的相变材料的化学通式为Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z，其中，0≤x≤60，0≤y≤90，0＜z≤65，0＜100-x-y-z＜100。所述用于相变存储器的相变材料可以采用磁控溅射法、化学气相淀积法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法或电镀法制备而得到。本发明提出的可用于相变存储的相变材料，具有反复相变的能力；Sc_100-x-y-zGe_xSb_yTe_z具有高阻和低阻两种不同阻值的状态，且高阻值态与低阻值态之间可以通过施加脉冲电信号实现可逆转换，满足相变存储器存储材料的基本要求，是一种新型的存储材料；材料的热稳定性、相变速度以及疲劳循环特性得到了提高；可采用脉冲电压或脉冲激光驱动相变材料在不同的结构状态之间发生可逆转变，同时使相变材料的性能发生可逆变化，从而实现相变存储器的信息存储。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种用于相变存储器的相变材料，其特征在于，所述用于相变存储器的相变材料的化学通式为Sc_100-x-zGe_xTe_z，其中，0≤x≤60，0＜z≤65，0＜100-x-z＜100，所述用于相变存储器的相变材料在电驱动或电子束驱动下实现电阻率的可逆转变。

2.根据权利要求1所述的用于相变存储器的相变材料，其特征在于：在所述Sc_{100-x- z}Ge_xTe_z中，0＜x≤50。

3.根据权利要求1所述的用于相变存储器的相变材料，其特征在于：在所述Sc_{100-x- z}Ge_xTe_z中，x＝0。

4.根据权利要求1所述的用于相变存储器的相变材料，其特征在于：所述用于相变存储器的相变材料包括高阻值态和低阻值态；所述高阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的非晶态，所述低阻值态对应所述用于相变存储器的相变材料的全部或部分结晶态。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的用于相变存储器的相变材料的制备方法，其特征在于，所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：根据化学通式Sc_100-x-zGe_xTe_z中Sc、Ge、及Te的不同配比为0≤x≤60，0＜z≤65，0＜100-x-z＜100，采用磁控溅射法制备所述用于相变存储器的相变材料。

6.根据权利要求5所述用于相变存储器的相变材料的制备方法，其特征在于：所述用于相变存储器的相变材料的制备方法包括：在氩气气氛下，利用Sc单质靶、Ge单质靶及Te单质靶共溅射得到所需的用于相变存储器的相变材料，其中，Sc单质靶采用直流电源，Ge单质靶采用射频电源，Te单质靶采用射频电源。

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