CN101101962A

CN101101962A - 基于镓掺杂Ga3Sb8Te1相变存储单元及其制备方法

Info

Publication number: CN101101962A
Application number: CNA2007100442257A
Authority: CN
Inventors: 程秀兰; 尹文; 顾怀怀
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2008-01-09

Abstract

一种微电子技术领域的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元及其制备方法，所述相变存储单元包括：硅衬底、上下电极、加热层、相变材料和绝缘介质层，所述相变材料为硫系化合物Ga₃Sb₈Te₁。方法如下：在硅衬底上淀积一层下电极材料，形成下电极；在下电极材料上淀积第一绝缘介质层，再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术在第一绝缘介质层中央刻出小孔；在小孔内填充加热层，然后进行化学机械抛光；再在加热层上沉积第二绝缘介质层，然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术在第二绝缘介质层上刻出沟槽，沟槽内沉积一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料，然后化学机械抛光；最后淀积一层上电极材料，形成上电极。本发明能使相变存储单元功耗至少降低10％。

Description

基于镓掺杂Ga3Sb8Te1相变存储单元及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的器件及其制备方法，具体是一种基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器(PCM)，顾名思义就是利用物质相的变化来达到信息存储目的的一种存储器。相变随机存储器由于具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐射、耐高低温、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，被认为最有可能取代目前的FLASH和DRAM而成为未来半导体存储器主流产品。

嵌入式相变存储阵列是由存储单元构成的，其存储单元由上下电极，相变材料和绝缘介质层构成。电极之间是相变材料，这也是整个相变存储单元的核心，该薄膜材料通常由硫系化合物(通常为GeSbTe，简单GST)薄膜来完成的。当需要改变器件存储的逻辑状态时(编程)，不同量级的电流经电极流过中间的硫系化合物合金，电极产生的焦耳热通过编程接触部分加热其周围的合金材料，以使之产生相应的晶化或非晶化相变，从而改变器件存储逻辑状态。相变材料与电极之间由介质材料作为保护隔离。现有的相变随机存储单元还存在很多缺陷，主要问题有：如何进一步减小存储单元的功耗，提高存储单元的热稳定性和循环擦写能力。

从目前的相变材料研究进展来看，传统相变材料Ge₂Sb₂Te₅或掺杂型GeSbTe材料是现有的相变材料的主流。但是这并不意味着它是的相变存储器最佳选择，所以探索适用于PCM的新型相变材料就显得非常必要，只有这样才能最大限度地发挥PCM存储器的优越性。

经对现有技术的文献检索发现，C.M.Lee，W.S.Yen，J.P.Chen，and T.S.Chin等人在2005年IEEE Trans.Magn.，vol.41，p.102(2005年IEEE学报杂志第41卷102页)发表了“Performances of phase-change recording disksbased on GaSbTe media”(基于GaSbTe媒介的相变光盘性能研究)，该文中提出GaSbTe相变材料的光学性质和在可重复读写光盘中的应用方法。具体方法是利用相变材料在光盘中可以由不同强度的光照获得不同的物质相，从而得到不同的存储信息，这是基于该材料的光学性质的。但是该文没有提出将GaSbTe材料应用到嵌入式相变存储单元，也没有给出应用到嵌入式相变存储单元的具体技术方案。GaSbTe相变材料除了具有独特的光学性质外，还具有特殊的热学和电学性质，检索中尚未发现GaSbTe相变材料在嵌入式相变随机存储器领域的相关研究和应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元及其制备方法。使其采用镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁作为相变存储单元的薄膜材料，在晶体和非晶状态下的电阻率差大，结晶温度和熔点比值较大，热稳定性较高，循环擦写能力最强，复位功耗较低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述基于镓掺杂相变存储单元包括：硅衬底、上下电极、加热层、相变材料和绝缘介质层，硅衬底上是下电极，下电极之上是第一绝缘介质层，第一绝缘介质层中央设有小孔，该小孔内填充有加热层，加热层上是第二绝缘介质层，第二绝缘介质层上设有沟槽，该沟槽内设有相变材料，上电极设置在第二绝缘介质层、相变材料之上。上电极与加热层之间是相变材料，这也是整个相变存储单元的核心，本发明中，所述相变材料为镓掺杂的硫系化合物Ga₃Sb₈Te₁。

GaSbTe材料是由Ga、Sb、Te三种原子构成的，当三种原子的比例不同时，材料的物理性质会呈一定规律而有所不同。通过研究发现，当镓的原子比在25％左右时，即Ga₃Sb₈Te₁相变材料在晶体和非晶状态下的电阻率差最大，结晶温度和熔点比值最大。此时该相变材料的热稳定性较高，循环擦写能力最强，复位功耗较低，适合作为嵌入式相变存储单元相变材料。

本发明上述基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其步骤如下：

第一步，在硅衬底上淀积一层下电极材料，形成下电极；

第二步，在下电极材料上淀积第一绝缘介质层，然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术在第一绝缘介质层中央刻出小孔；

第三步，在第一绝缘介质层小孔内填充加热层，然后进行化学机械抛光；

第四步，再在加热层上沉积第二绝缘介质层，然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术在第二绝缘介质层上刻出沟槽，沟槽内沉积一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料，然后化学机械抛光；

第五步，最后淀积一层上电极材料，形成上电极。

所述上电极和下电极是由金属或合金通过磁控溅射的方法淀积形成的。

所述第一绝缘介质层和第二绝缘介质层是采用CVD(化学气相淀积)或蒸发的方法形成的。

所述第二绝缘介质层上的沟槽尺寸为第一绝缘介质层上的小孔孔径直径的3到8倍。

所述加热层是由金属合金或金属硅化物用磁控溅射、PVD(物理气相淀积)或蒸发的方法形成的。

所述Ga₃Sb₈Te₁相变材料是用Ga₃Sb₈Te₁合金靶材通过磁控溅射的方法淀积形成的Ga₃Sb₈Te₁薄膜。

为证实Ga₃Sb₈Te₁相对于传统相变材料Ge₂Sb₂Te₅在存储性能上的提高，可以采用对基于这两种材料的相变存储单元用相关有限元分析和电路模拟分析进行比较。通过两种材料的仿真对比表明，Ga₃Sb₈Te₁的中心温度峰值比Ge₂Sb₂Te₅低，Ga₃Sb₈Te₁薄膜材料的熔点比Ge₂Sb₂Te₅降低50-60摄氏度左右，并且向周围的热扩散范围小，具有很好的热稳定性和较低的功耗。

此外，由于基于Ga₃Sb₈Te₁材料的相变存储单元在其复位操作时相变中心温度的降低和热扩散的减小，非晶化复位脉冲将大幅减小，从而降低了相变存储单元的存储功耗。对于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元，其在不同物质相下的电阻阈值是比较大的，并且擦写频率较高，复位时间约为10纳秒，写入时间约为75纳秒。

综上所述，本发明提出了一种基于相变合金Ga₃Sb₈Te₁的相变存储单元及其制备方法。由于Ga₃Sb₈Te₁比传统GST材料Ge₂Sb₂Te₅复位温度低50℃以上，从而使基于相变合金Ga₃Sb₈Te₁的嵌入式相变存储单元的复位功耗至少降低10％；Ga₃Sb₈Te₁的熔点低，结晶温度和激活能相对较高的特点使该材料具有更高的热稳定性和可擦写循环次数。基于相变合金Ga₃Sb₈Te₁相变材料在各项性能，包括擦写功耗，热稳定性，擦写次数都有很大的突破。

附图说明

图1为GaSbTe薄膜Tx和Tx/Tm比值随Ga掺杂比例变化曲线图。

图2为Ga₃Sb₈Te₁和Ge₂Sb₂Te₅相变中心区域温度变化曲线图。

图3为基于Ga₃Sb₈Te₁与传统GST材料即Ge₂Sb₂Te₅相变存储单元的擦写特性对比图，其中：

图(a)为基于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的擦写特性图；

图(b)为基于传统GST材料即Ge₂Sb₂Te₅相变存储单元的擦写特性图。

图4是基于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的擦写频率与电阻特性图。

图5为本发明中相变存储单元制备过程示意图，其中：

图(a)为在衬底上用磁控溅射的方法淀积一层下电极材料；

图(b)为淀积一层绝缘介质层，并刻出小孔；

图(c)为沉积加热层，材料可为TiW或SiGe等高电阻率高热导率材料；

图(d)为淀积绝缘介质层，并刻出沟槽，沟槽内用磁控溅射形成一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料；

图(e)为用磁控溅射的方法淀积上电极材料；

图中，1为衬底，2为下电极，3为绝缘介质层，4为加热层，5为相变层，6为绝缘介质层，7为上电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例基于镓掺杂相变存储单元是由硅衬底1、上下电极2和7、加热层4、相变材料5和绝缘介质层3、6构成，硅衬底1上是下电极2，下电极2之上是第一绝缘介质层3，第一绝缘介质层3中央设有小孔，该小孔内填充有加热层4，加热层4上是第二绝缘介质层6，第二绝缘介质层6上设有沟槽，该沟槽内设有相变材料5，上电极7设置在第二绝缘介质层6、相变材料5之上。

上电极2与加热层4之间是相变材料5，这也是整个相变存储单元的核心，本实施例相变材料5由硫系化合物的一种Ga₃Sb₈Te₁薄膜构成的。上下电极2和7材料可由熔点高，导热好的金属或合金通过磁控溅射的方法淀积形成；加热层4由熔点高，电阻率大的金属合金或金属硅化物用磁控溅射、PVD(物理气相淀积)或蒸发的方法形成；相变层即相变材料5是用Ga₃Sb₈Te₁合金靶材通过磁控溅射的方法淀积形成；绝缘介质层3、6由热导率小，电介大，机械强度大的材料采用CVD(化学气相淀积)或蒸发的方法形成。

当需要改变器件存储的逻辑状态时(编程)，不同量级的电流经电极流过中间的硫系化合物合金，电极产生的焦耳热通过加热层接触部分将热量传输到其周围的相变层合金材料，以使之产生相应的晶化或非晶化相变，从而改变器件存储逻辑状态。相变材料与电极之间由介质材料作为物理保护隔离。

如图5所示，图5中，1为衬底，2为下电极，3为绝缘介质层，4为加热层，5为相变层Ga₃Sb₈Te₁，6为绝缘介质层，7为上电极。在硅衬底1上先生长一层下电极2，再在第一步的下电极2之上淀积绝缘介质层3，然后在绝缘介质层3中央刻出小孔，接下来在小孔内填充加热层4，再在加热层4上沉积另一层绝缘介质层6，并在该绝缘介质层6上刻出沟槽，沟槽内沉积相变材料5，最后沉积上电极7。

实施例1

本发明上述基于镓掺杂相变存储单元，结合附图5，其制备步骤如下：

第一步，在硅衬底上，用磁控溅射的方法淀积一层下电极材料TiW，其厚度为150nm，熔点为1750℃，热导率为1.7J/cm-k-s，如附图5(a)。

第二步，在第一步的下电极材料上用CVD(化学气相淀积)的方法淀积一层SiO₂绝缘介质层，厚度为150nm，热导率为0.014J/cm-k-s。然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，在绝缘介质层中央刻出小孔，小孔孔径直径20nm，深度为30nm，如附图5(b)。

第三步，在绝缘介质层小孔内用磁控溅射的方法填充加热层，加热层为W薄膜，然后进行化学机械抛光，如附图5(c)。

第四步，再在加热层上沉积一层SiO₂绝缘介质层，厚度为50nm。然后在通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，刻出第二步中小孔孔径直径3倍的沟槽，沟槽内用磁控溅射沉积一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料，然后化学机械抛光，如附图5(d)。

第五步，最后沉积上电极，方法同第一步，即用磁控溅射的方法淀积一层TiW，其厚度为150nm，如附图5(e)。

该实施例所制备的嵌入式相变存储单元相变层采用的合金Ga₃Sb₈Te₁中Ga原子比例为25％，相变合金的结晶温度与熔点的比值达到0.65，如附图1；Ga₃Sb₈Te₁的中心温度峰值比Ge₂Sb₂Te₅降低50-60摄氏度左右，并且向周围的热扩散范围小，如附图2；基于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元擦写频率较高，复位时间约为10纳秒，写入时间约为75纳秒，如附图3(a)，而传统GST材料相变存储单元复位时间约为15纳秒，写入时间约为80纳秒，如附图3(b)；当该相变单元受到电脉冲激励使相变层中心产生相应的晶化或非晶化相变后，两种状态下的电阻率比值较大，非晶电阻达到500千欧姆以上，晶体电阻约为1千欧姆，相差约3个数量级，如附图4；相变合金Ga₃Sb₈Te₁的结晶温度与熔点的比值大和热扩散范围小的特点使相变单元具有较好的热稳定性；由于Ga₃Sb₈Te₁比传统GST材料Ge₂Sb₂Te₅复位温度低50℃以上，并且向周围的热扩散减小，从而使基于相变合金Ga₃Sb₈Te₁的嵌入式相变存储单元的复位功耗至少降低10％。

实施例2

第一步，在硅衬底上，用磁控溅射的方法淀积一层下电极材料PtW合金，其厚度为150nm，熔点为1800℃，热导率为2.0J/cm-k-s，如附图5(a)。

第二步，在第一步的下电极材料上用CVD(化学气相淀积)的方法淀积一层SiO₂绝缘介质层，厚度为250nm，热导率为0.014J/cm-k-s。然后在通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，在绝缘介质层中央刻出小孔，小孔孔径直径20nm，深度为100nm，如附图5(b)。

第三步，在绝缘介质层小孔内用磁控溅射的方法填充加热层，加热层为SiGe薄膜，然后进行化学机械抛光，如附图5(c)。

第四步，再在加热层上沉积一层SiO₂绝缘介质层，厚度为100nm。然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，刻出尺寸为第二步中小孔孔径直径3倍的沟槽，沟槽内用磁控溅射沉积一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料，然后化学机械抛光，如附图5(d)。

第五步，最后沉积上电极，方法同第一步，即用磁控溅射的方法淀积一层PtW合金，其厚度为150nm，如附图5(e)。

该实施例所制备的嵌入式相变存储单元相变层采用的合金Ga₃Sb₈Te₁中Ga原子比例为25％，相变合金的结晶温度与熔点的比值达到0.65，如附图1；Ga₃Sb₈Te₁的中心温度峰值比Ge₂Sb₂Te₅降低50-60摄氏度左右，并且向周围的热扩散范围小，如附图2；基于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元擦写频率较高，复位时间约为10纳秒，写入时间约为75纳秒，如附图3(a)，而传统GST材料相变存储单元复位时间约为15纳秒，写入时间约为80纳秒，如附图3(b)；当该相变单元受到电脉冲激励使相变层中心产生相应的晶化或非晶化相变后，两种状态下的电阻率比值较大，非晶电阻达到500千欧姆以上，晶体电阻约为1千欧姆，相差约3个数量级，如附图4；此外，本实施例采用SiGe作为加热层，使加热效率提高5％以上。本实施例中采用熔点高，电阻小的电极，提高了加热效率。

实施例3

第一步，在硅衬底上，用磁控溅射的方法淀积一层下电极材料TiW，其厚度为150nm，熔点为1780℃，热导率为1.76J/cm-k-s，如附图5(a)。

第二步，在第一步的下电极材料上用蒸发的方法淀积一层SiO₂介质绝缘介质层，厚度为200nm，热导率为0.014J/cm-k-s。然后再通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，在绝缘介质层中央刻出小孔，小孔孔径直径20nm，深度为50nm，如附图5(b)。

第三步，在绝缘介质层小孔内用磁控溅射的方法填充加热层，加热层为TiW薄膜，然后进行化学机械抛光，如附图5(c)。

第四步，再在加热层上沉积一层SiO₂绝缘介质层，厚度为80nm。然后在通过纳米压印光刻和干法刻蚀技术，刻出尺寸为第二步中小孔孔径直径5倍的沟槽，沟槽内用磁控溅射沉积一层Ga₃Sb₈Te₁相变材料，然后化学机械抛光，如附图5(d)。

该实施例所制备的嵌入式相变存储单元相变层采用的合金Ga₃Sb₈Te₁中Ga原子比例为25％，相变合金的结晶温度与熔点的比值达到0.65，如附图1；Ga₃Sb₈Te₁的中心温度峰值比Ge₂Sb₂Te₅降低50-60摄氏度左右，并且向周围的热扩散范围小，如附图2；基于Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元擦写频率较高，复位时间约为10纳秒，写入时间约为75纳秒，如附图3(a)，而传统GST材料相变存储单元复位时间约为15纳秒，写入时间约为80纳秒，如附图3(b)；当该相变单元受到电脉冲激励使相变层中心产生相应的晶化或非晶化相变后，两种状态下的电阻率比值较大，非晶电阻达到500千欧姆以上，晶体电阻约为1千欧姆，相差约3个数量级，如附图4；除相变合金Ga₃Sb₈Te₁的结晶温度与熔点的比值大和热扩散范围小的特点外，本实施例中采用熔点更高，热导大的电极，可以使相变单元具有更好的热稳定性；由于Ga₃Sb₈Te₁比传统GST材料Ge₂Sb₂Te₅复位温度低50℃以上，并且向周围的热扩散减小，从而使基于相变合金Ga₃Sb₈Te₁的嵌入式相变存储单元的复位功耗至少降低10％。

Claims

1.一种基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元，包括：硅衬底、上下电极、加热层、相变材料和绝缘介质层，其特征在于：硅衬底上是上电极，上电极之上是第一绝缘介质层，第一绝缘介质层中央设有小孔，该小孔内填充有加热层，加热层上是第二绝缘介质层，第二绝缘介质层上设有沟槽，该沟槽内设有相变材料，下电极设置在第二绝缘介质层、相变材料之上，相变材料为硫系化合物Ga₃Sb₈Te₁。

2.根据权利要求1所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元，其特征是，所述相变材料为Ga₃Sb₈Te₁合金靶材通过磁控溅射的方法淀积形成的Ga₃Sb₈Te₁薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元，其特征是，所述第二绝缘介质层上的沟槽尺寸为第一绝缘介质层上的小孔孔径直径的3到8倍。

4.一种如权利要求1所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，在硅衬底上淀积一层下电极材料，形成下电极；

第五步，最后淀积一层上电极材料，形成上电极。

5.根据权利要求4所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征是，所述上电极和下电极是由金属或合金通过磁控溅射的方法淀积形成的。

6.根据权利要求4所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征是，所述第一绝缘介质层和第二绝缘介质层是采用化学气相淀积或蒸发的方法形成的。

7.根据权利要求4或6所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征是，所述第二绝缘介质层上的沟槽尺寸为第一绝缘介质层上的小孔孔径直径的3到8倍。

8.根据权利要求4所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征是，所述加热层是由金属合金或金属硅化物用磁控溅射、物理气相淀积或蒸发的方法形成的。

9.根据权利要求4所述的基于镓掺杂Ga₃Sb₈Te₁相变存储单元的制备方法，其特征是，所述Ga₃Sb₈Te₁相变材料是用Ga₃Sb₈Te₁合金靶材通过磁控溅射的方法淀积形成的Ga₃Sb₈Te₁薄膜。