CN101383398A

CN101383398A - 含锑材料作为电阻转换存储材料的应用

Info

Publication number: CN101383398A
Application number: CNA2008102014075A
Authority: CN
Inventors: 张挺; 宋志棠; 顾怡峰; 刘波; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2009-03-11

Abstract

本发明揭示了一种含锑材料作为电阻转换存储材料的应用，所述含锑材料包括锑及其他金属的混合物、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物。当温度达到或者超过某一特定温度时，该电阻转换存储材料的电阻率有剧烈的下降过程，通常高、低电阻率差异超过一个数量级。本发明电阻转换存储材料与目前的半导体生产线完全兼容，不会给生产线引入污染以及不确定的因素，有助于降低生产成本。

Description

含锑材料作为电阻转换存储材料的应用

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种含锑材料作为电阻转换存储材料的应用。

背景技术

存储器是信息技术的基石，无论在日常生活中还是国民经济中都发挥着重要的作用。目前，存储器的种类主要包括：静态存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM)、磁盘、闪存(Flash)、铁电存储器等。而其他存储器，例如相变存储器、电阻随机存储器、电探针存储系统等作为下一代存储器的候选者也受到了广泛的研究。

相变存储器和电阻随机存储器的基本原理是利用器件中存储材料在高电阻和低电阻之间的可逆变化来实现数据“1”和“0”的存储，因为电阻有望通过电信号控制实现近似连续变化，故此类电阻转换存储器有望实现多级存储，从而大幅提高存储器的存储信息的能力。电阻转换存储器的优点还包括高速、高数据保持能力和低成本，具有广阔的市场。在相变存储器中，利用了器件中的相变材料在非晶(高电阻态)和多晶(低电阻态)之间的可逆转变来实现上述的电阻的变化。

目前，锑材料与半导体材料的化合物已经被发现拥有电阻(或者光学反射率)随温度的变化效应，并且已经作为存储介质在相变存储器(或者光盘)中得到了应用(T.Zhang等人，Applied Physics Letters 2007(91)：222102-1-3)。

然而，锑材料与金属材料的合金却被认为可能具有极低的电阻率而不会拥有大幅的电阻变化过程，缺乏在存储器中的应用价值，因此没有相关报道和研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种含锑材料作为电阻转换存储材料的应用，该电阻转换存储材料当温度达到或者超过某一特定温度时，材料的电阻率有剧烈的下降过程。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种含锑材料作为电阻转换存储材料的应用，所述含锑材料包括锑及其他金属的混合物、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物。

作为本发明的一种优选方案，所述含锑材料为锑与其他金属的混合物，在混合物中锑材料的原子百分比在40％到99.99％之间。

作为本发明的一种优选方案，所述含锑材料包括锑与其他金属、非金属材料的混合物。

作为本发明的一种优选方案，所述非金属材料作为掺杂杂质在掺杂后得到的组份中原子比含量少于40％。

作为本发明的一种优选方案，所述非金属材料杂质为氮、氧、硼、磷、砷、硒、硫、碳中的一种或几种。

作为本发明的一种优选方案，所述的其他金属为金属材料中的一种或几种。

作为本发明的一种优选方案，所述含锑材料为锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物。

作为本发明的一种优选方案，所述含锑材料包括锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物、及掺杂杂质。

作为本发明的一种优选方案，针对锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物所述掺杂杂质的原子比含量少于40％。

作为本发明的一种优选方案，所述含锑材料为锑及其他金属的混合物、与锑的氧化物、与锑的氮化物、与锑的氮氧化物中的两个或多个组份组成的混合物。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种可以作为电阻转换存储材料的含锑材料，当温度达到或者超过某一特定温度时，材料的电阻率有剧烈的下降过程，通常高、低电阻率差异超过一个数量级。本发明电阻转换存储材料与目前的半导体生产线完全兼容，不会给生产线引入污染以及不确定的因素。目前的相变材料(例如GeSbTe等)的使用都会对生产线造成污染，而锑合金和氧化物的使用相比之下更具优越性和竞争力。

附图说明

图1A为锑钛合金材料(钛含量约为百分之一原子比)的电阻随温度的变化曲线。

图1B为锑钛合金材料(钛含量约为百分之二原子比)的电阻随温度的变化曲线。

图1C为锑钛合金材料(钛含量约为百分之一原子比)在R-T测试前后的XRD图。

图1D为锑钛合金材料(钛含量约为百分之二原子比)在R-T测试前后的XRD图。

图2A为锑钨合金材料(钨含量约为百分之一原子比)的电阻随温度的变化曲线。

图2B为锑钨合金材料(钨含量约为百分之二原子比)的电阻随温度的变化曲线。

图2C为锑钨合金材料(钨含量约为百分之一原子比)在R-T测试前后的XRD图。

图2D为锑钨合金材料(钨的原子含量约为百分之二)在R-T测试前后的XRD图。

图3A和3B分别为不同氮含量的氮化锑材料的电阻随温度的变化曲线。

图4为氧化锑薄膜材料的电阻随温度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明揭示了一种作为电阻转换存储材料的含锑材料，所述含锑材料包括锑及其他金属的合金、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物。

实施例一

一种作为电阻转换存储材料的含锑材料，其为锑及其他一种或多种金属(可以任意金属，如为铜、铝、镍、锡、钽、镆、铁、锂、钠、钾、金、银等)的混合物，所述含锑材料在混合物中的原子比在40％和99.99％之间。本实施例中，该含锑材料为锑及钛的合金，其含量约为百分之一原子比。

请参阅图1A及图1C，图1A为锑和钛的合金材料的电阻随温度变化曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程、空心曲线为冷却过程。由图1A中可见，当合金材料中的钛含量为百分之一原子比时，材料的电阻随着温度上升而下降，并且在370K左右的时候剧烈下降，R-T测试表明，材料结晶温度约为380K，而高、低电阻率差异超过两个数量级。

图1C为锑钛合金材料在沉积态和经R-T测试后的X射线衍射(XRD)图谱，根据图1C，合金材料处于高阻态以及低阻态时的各个结构类似，R-T测试前后没有明显的晶体结构变化，都为多晶态。

此外，所述含锑材料在混合物中的原子比还可以为在40％和99.99％之间的其他数值，如51％、64％、75％、82％、99％、99.5％；材料的电阻在当温度达到或者超过某一特定温度时剧烈下降。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑及钛的合金，钛的含量约为百分之二原子比。

请参阅图1B及图1D，图1B为锑和钛的合金材料的电阻随温度变化曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程、空心曲线为冷却过程。如图1B所示，当材料中的钛含量增加到百分之二原子比时，材料的电阻随温度变化过程与图1A类似，只是结晶温度略微上升10K左右，高、低电阻率差异也超过两个量级。

图1D为锑钛合金材料在沉积态和经R-T测试后的X射线衍射(XRD)图谱，根据图1D，合金材料处于高阻态以及低阻态时的各个结构类似，材料的晶体结构在R-T测试前后没有明显的变化，都为多晶态。

实施例三

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑及钨的合金，其含量约为百分之一原子比。

请参阅图2A及图2C，图2A为锑和钛的合金材料的电阻随温度变化曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程、空心曲线为冷却过程。从图2A中可见，当合金材料中的钨原子含量为百分之一原子比时，合金结晶温度约为452K，材料高、低电阻率差异略少于两个数量级。

图2C为上述锑钨合金材料在沉积态和R-T测试后的X射线衍射图，根据图2C，合金材料处于高阻以及低阻态的结构有明显的不同，即在高阻态时为非晶态(R-T测试前)，而在低阻态时为多晶态(R-T测试后)，很显然，锑钨合金材料的电阻的下降是由于相变造成的。此现象与实施例一、实施例二的锑钛合金的现象有明显的不同之处。

实施例四

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑及钨的合金，其含量约为百分之二原子比。

请参阅图2B及图1D，图2B为锑和钛的合金材料的电阻随温度变化曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程、空心曲线为冷却过程。从图2B可知，当材料中的钨含量增加到百分之二原子比时，合金的结晶温度上升到约为570K，材料高、低电阻率差异约为一个数量级。

图2D为上述锑钨合金材料在沉积态和R-T测试后的X射线衍射图，根据图2D，合金材料处于高阻以及低阻态的结构有明显的不同，即在高阻态时为非晶态(R-T测试前)，而在低阻态时为多晶态(R-T测试后)，很显然，锑钨合金材料的电阻的下降是由于相变造成的。此现象与实施例一、实施例二的锑钛合金的现象有明显的不同之处。

实施例五

本发明揭示了一种作为电阻转换存储材料的含锑材料，该含锑材料可以为锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物。本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑的氮化物。

图3A和3B分别为不同氮含量的氮化锑材料的电阻随温度的变化曲线，其中实心曲线为升温过程，空心曲线为冷却过程。在图3A和图3B中氮的原子百分比含量分别为百分之三和百分之五。

实施例六

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑的氧化物。图4为氧化锑薄膜材料的电阻随温度的变化曲线，其中实心曲线为升温过程，空心曲线为冷却过程。

实施例七

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑的氮氧化物，当温度达到或者超过某一特定温度时，其电阻率有剧烈的下降过程，结晶温度在300K到678K之间。

实施例八

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料由锑及其他金属的混合物、及非金属材料(如氮、氧、硼、磷、砷、硒、硫、碳中的一种或多种)组成；当温度达到或者超过某一特定温度时(结晶温度在300K到678K之间)，其电阻率有剧烈的下降过程。

所述电阻转换存储材料中，非金属掺杂杂质在所述含锑材料中的含量少于百分之四十原子比。

实施例九

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料为锑及其他金属的混合物、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物中的两个或多个组分组成的混合物，混合物各组分的含量百分比任意。当温度达到或者超过某一特定温度时(结晶温度在300K到678K之间)，其电阻率有剧烈的下降过程。

实施例十

本实施例中，作为电阻转换存储材料的含锑材料包括锑及其他金属的合金、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物、及掺杂杂质。掺杂杂质可以为任意一种或多种元素，可以为金属元素、非金属元素，如铜、铝、镍、锡、钽、镆、铁、锂、钠、钾、金、银、氮、氧、硼、磷、砷、硒、硫、碳；掺杂杂质在所述含锑材料中的含量少于百分之四十原子比。当温度达到或者超过某一特定温度时(结晶温度在300K到678K之间)，其电阻率有剧烈的下降过程。

通过以上实施例可以得出，锑材料与金属材料的混合物、或氮化物、或氧化物、或氮氧化物的电阻率具有随温度变化的特性，这种性能可以应用到电阻转换存储器中，采用电信号或者激光改变器件的电阻，从而实现数据的存储功能。这些材料的特点是与目前的半导体生产线完全兼容，不会污染生产线，而目前的相变材料(例如GeSbTe等)的使用都会对生产线造成污染，因此，锑合金和氧化物的使用相比之下更具优越性和竞争力。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。如对掺杂的种类进行调整。

Claims

1、一种含锑材料作为电阻转换存储材料的应用，其特征在于，所述含锑材料包括锑及其他金属的混合物、或/和锑的氧化物、或/和锑的氮化物、或/和锑的氮氧化物。

2、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述含锑材料为锑与其他金属的混合物，在混合物中锑材料的原子百分比在40％到99.99％之间。

3、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述含锑材料包括锑与其他金属、非金属材料的混合物。

4、根据权利要求3所述的用途，其特征在于：所述非金属材料作为掺杂杂质在掺杂后得到的组份中原子比含量少于40％。

5、根据权利要求3所述的用途，其特征在于：所述非金属材料杂质为氮、氧、硼、磷、砷、硒、硫、碳中的一种或几种。

6、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述的其他金属为金属材料中的一种或几种。

7、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述含锑材料为锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物。

8、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述含锑材料包括锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物、及掺杂杂质。

9、根据权利要求8所述的用途，其特征在于：针对锑的氧化物、或锑的氮化物、或锑的氮氧化物所述掺杂杂质的原子比含量少于40％。

10、根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述含锑材料为锑及其他金属的混合物、与锑的氧化物、与锑的氮化物、与锑的氮氧化物中的两个或多个组份组成的混合物。