CN101257090A - 用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料 - Google Patents

Abstract

用于相变存储器的Si－Te－Sb系列相变薄膜材料属于微电子技术领域。目前Ge₂Te₅Sb₂材料的结晶温度较低(约为165度)面临着数据丢失的危险。本发明提供的一种用于相变存储器的硅－碲－锑存储材料，组成通式为Si_aTe_bSb_100－(a+b)，其中20≤a≤60，20≤b＜48。该材料具有相对较高的结晶温度、较好的热稳定性以及更强的数据保持能力，同时还具有均匀的晶体相结构和纳米级的晶粒尺寸，在改善了疲劳特性的同时又具有较好的可逆相变能力。

Description

用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域用于相变存储器的存储材料，具体的是一种由硅-碲-锑的混合物组成的相变薄膜材料。

背景技术

相变存储器是利用相变薄膜材料作为存储介质来实现数据存储的一种存储器，具有广阔的应用前景，是目前存储器研究的一个热点。因所用相变薄膜材料大都含有硫族元素，故而又称为硫系化合物随机存储器，是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器(Ovshinsky S R.Reversible electrical switching phenomena indiscovered structure.Phys Rev Lett，1968，21(20)：1450)，被认为是最有希望的下一代高速、高密度、低功耗存储器。硫系化合物随机存储器的存储是利用相变材料在外部能量的作用下产生的非晶和多晶之间的可逆相变来实现的，硫系化合物在非晶态时是高阻态，在多晶态时是低阻态，而相变存储器正是利用硫系化合物在非晶和多晶之间转变时的电阻差异来实现数据存储的。

在相变存储器的研发中，硫系化合物相变材料的优劣无疑是决定相变存储器性能好坏的一个重要因素，因此，相变存储材料的研究受到了广泛的关注，并于上世纪90年代在商业化的DVD(digital versatile disk)碟片中得到了应用。那么就目前来看，得到公认的也是研究最多的相变材料为Ge-Te-Sb，其中以Ge₂Te₅Sb₂最为热门。虽然基于Ge₂Te₅Sb₂的存储器数据可以在常温下保持十年，但是由于材料的结晶温度较低(约为165度)，依然面临着数据丢失的危险，所以提高结晶温度以改善相变存储器的数据保持能力以及提高相变材料的热稳定性就成为了目前迫切要解决的问题。同时，晶体相的均匀性和晶粒尺寸的大小也是衡量相变材料性能优异与否的重要标准。

综上所述，相对成熟的Ge-Te-Sb系列相变薄膜材料并不意味着就是相变存储器材料的最佳选择。所以拓宽相变材料的研究范围，探索适用于相变存储器的新型相变材料就显得非常必要，也只有这样才能最大限度的发挥相变存储器的优越性。这也正是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有材料的缺点和不足，提供一种可用于相变存储器的相变薄膜材料。所提供的存储材料是一种在外部能量的作用下可以实现高阻态与低阻态之间可逆转变的材料，所述的外部能量可以为热驱动、电子束驱动、电脉冲驱动或激光脉冲驱动中的一种或几种，并且在可逆转变的前后可以实现电阻值在2倍至几个数量级范围内的变化，是一种可用于相变存储器的理想材料。该材料具有相对较高的结晶温度、较好的热稳定性以及更强的数据保持能力，同时还具有均匀的晶体相结构和纳米级的晶粒尺寸，在改善了疲劳特性的同时又具有较好的可逆相变能力。

本发明提供的一种用于相变存储器的硅-碲-锑存储材料，组成通式为Si_aTe_bSb_100-(a+b)，其中20≤a≤60，20≤b＜48，是一种硅、碲和锑的混合物，制备方法多样。Si-Te-Sb系列相变薄膜材料可以采用多靶共溅射的方法制备，各种元素分别对应不同的靶，材料最终的组分和厚度可以通过在每个靶上施加不同的功率来控制。Si-Te-Sb系列相变薄膜材料也可以采用溅射合金靶的方式来制备，首先需要制备出相应成分的合金靶材，这样此种成分的相变薄膜材料就可以通过溅射相同成分的合金靶材来进行制备。除此之外，还可以采用其它一些沉积薄膜的方法，如对相应的元素材料进行共蒸发，或者采用蒸发、电子束蒸发Si-Te-Sb合金来制备各种组分的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料等。

本发明所述的用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料可以通过外部能量的作用来实现高阻态与低阻态之间的可逆转变，利用可逆变化前后电阻率的差异进行数据存储。

本发明所述的用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料在外部能量的作用下可逆变化前后，材料会有不同的晶体结构，会发生非晶和多晶之间的可逆转变。多晶态的Si-Te-Sb系列相变材料的晶粒大小非常均匀，并且晶粒尺寸很小均在10nm以内，预示了材料会有很好的疲劳特性。

本发明所述的外部能量为热驱动、电子束驱动、电脉冲驱动或激光脉冲驱动。

本发明所述的用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料可应用于各种类型的采用相变原理进行存储的存储器，包括激光脉冲驱动的多媒体数据光盘或电脉冲驱动的存储器等等。

附图说明

图1为本发明的相变薄膜材料Si₄Te₃Sb₂分别在非晶状态下(a)以及300度退火1小时后(b)的X射线衍射图谱。

图2为本发明的相变薄膜材料Si₄Te₃Sb₂分别在透射电子显微镜(TEM)中进行电流密度为100pA/cm²约10分钟的原位电子束辐照的明场形貌像(a)和原位热台加热至300度后的明场形貌像(b)。

图3为本发明的相变薄膜材料Si₄Te₃Sb₂与常用的Ge₂Te₅Sb₂薄膜材料通过扫描电镜里的原位加热加电装置来原位地测得的电阻率与退火温度的关系曲线。

具体实施方式

1、采用多靶共溅射的方法用硅、碲和锑三个相对独立的靶材分别在无取向的石英衬底上、透射电镜载网碳支持膜上以及热氧化后的硅衬底上制备Si-Te-Sb相变薄膜材料。溅射时的氩气气压为0.2Pa，硅靶、碲靶和锑靶上的功率分别为射频340瓦、直流12瓦和直流13瓦，通过控制溅射时间可以控制制备出的相变薄膜材料的厚度。X荧光光谱分析表明材料的成分基本接近理想成分Si₄Te₃Sb₂。由于透射电子显微镜对样品厚度要求的特殊性，在实施的过程中，薄膜厚度的选取被控制在30nm-100nm之间。在本实施例子当中所选取的薄膜厚度为30nm，厚度为100nm的薄膜材料所表现出的相变行为、结晶温度以及晶体相的均匀性等各个方面都与30nm厚的薄膜材料相一致，本发明认为在此范围之内厚度对效果的影响不大。

2、将得到的镀在石英衬底上的Si₄Te₃Sb₂相变薄膜材料在高纯氮气气氛的保护中，在300度的温度下恒温退火1小时。图1所示为退火处理前后样品的X射线衍射图谱，由图可见，在较低退火温度下，材料为典型的非晶结构，对应着较高的电阻态；而当退火温度较高的时候，Si₄Te₃Sb₂相变薄膜材料由非晶结构转变为具有较低电阻的多晶结构。所以在一定的退火温度下，该组分的材料存在着相变行为。

3、将制得的镀在透射电镜载网碳支持膜上的Si₄Te₃Sb₂相变薄膜材料分别在透射电子显微镜(TEM)中进行原位的电子束辐照和原位的热台加热实验。如图2所示为本发明的相变薄膜材料Si₄Te₃Sb₂分别在透射电子显微镜(TEM)中进行电流密度为100pA/cm²约10分钟的原位电子束辐照的明场形貌像(a)和原位热台加热至300度后的明场形貌像(b)。由图可见，无论是电子束驱动还是热驱动均可以诱发出相变材料由非晶态到多晶态的转变。多晶态的Si₄Te₃Sb₂相变薄膜材料的晶粒尺寸均在10nm以内，这种在晶粒大小上近乎完美的均匀也意味着本发明的材料将在相变存储器中能够拥有不俗的表现。

4、对本发明的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料进行电阻率测试，测试结果如图3所示为本发明的相变薄膜材料Si₄Te₃Sb₂与常用的Ge₂Te₅Sb₂薄膜材料通过扫描电镜里的原位加热加电装置来原位地测得的电阻率与退火温度的关系曲线。在160度以下，所有薄膜处于电阻为高阻态的非晶态，随着温度的不断增加，薄膜开始晶化，与此同时薄膜的电阻率就开始下降，直至薄膜转变为电阻处于低阻态的多晶态。这个过程在实际应用当中正是利用不同的外界能量使相变薄膜材料在高阻态和低阻态之间发生可逆转变。由图可以看出，Si₄Te₃Sb₂薄膜对比常用的Ge₂Te₅Sb₂薄膜具有较高的结晶温度(约为220度)，因此具有更好的稳定性以及优秀的数据保持能力。

Claims (2)

1、一种用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料，其特征在于所述的存储材料为硅-碲-锑的混合物，组成通式为Si_aTe_bSb_100-(a+b)，其中20≤a≤60，20≤b＜48。

2、根据权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料，其特征在于所述的存储材料组成通式为Si_aTe_bSb_100-(a+b)，20≤a≤60，20≤b＜48，并且其中a，b的比例为Si₄Te₃Sb₂。

Images