CN101582485A - 掺杂改性的相变材料及含该材料的相变存储器单元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺杂改性的相变材料及含该材料的相变存储器单元及其制备方法。该掺杂改性的相变材料的组成表达式为(Sb₂Se₃)_100－xY_x，其中x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素，包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。该掺杂改性的(Sb₂Se₃)_100－xY_x存储材料不仅保留了Sb₂Se₃存储材料的相变速度快、熔点低等优点，而且结晶温度得到提高，从而克服了Sb₂Se₃存储材料数据保持力差的缺点。包含该(Sb₂Se₃)_100－xY_x存储材料的相变存储器具有高速、低功耗、良好数据保持力等优越性。

Description

掺杂改性的相变材料及含该材料的相变存储器单元及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种相变材料及包含该材料的相变存储器器件单元及其制备方法，尤其是指可以提高相变存储器的编程速度、降低器件的编程功耗、提高器件数据保持力的相变材料及包含该材料的相变存储器器件单元及其制备方法。本发明属于微纳电子技术领域。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末、70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的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。

存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，因此相应的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件的操作电流，即降低功耗；器件结构设计和存储机理研究等；高密度器件阵列的制造工艺研究，包括如何实现器件单元的纳米尺度化问题、高密度器件芯片的工艺问题、器件单元的失效问题等。其中器件的编程速度提高与编程功耗降低是非常关键和重要的。提高编程速度的有效方法之一是通过对相变材料进行掺杂改性达到缩短相变材料结晶时间的目的，而降低器件功耗的方法有：减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；降低相变材料的熔点；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。通过相变材料的改性是能够同时实现缩短相变材料结晶时间、提高结晶温度和降低相变材料熔点等目的的较简单易行的方法。这正是本发明的出发点。

Sb₂Se₃存储材料具有相变速度快、熔点低等优点，在高速、低功耗相变存储器中具有很好的应用前景，但是Sb₂Se₃存储材料的缺点是结晶温度低，用于相变存储器后，芯片的数据保持力较差，不能满足实际应用要求。

鉴于此，实有必要提出一种新的掺杂改性的存储材料以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种掺杂改性的相变材料及含该材料的相变存储器单元及其制备方法，以达到降低器件单元编程功耗、提高器件编程速度和数据保持力的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种掺杂改性的相变材料，其组成表达式为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素。

进一步地，所述掺杂的元素Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

该材料可采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种方法制备。

一种包含所述掺杂改性的相变材料的相变存储器单元，包括下电极层、上电极层以及位于下电极层和上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层的材料为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中0＜x≤20，Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

所述下电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

所述上电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

一种包含所述掺杂改性的相变材料的相变存储器单元的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备下电极层，下电极层的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

(2)在所述下电极层上制备相变材料层，相变材料层的材料为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素，为Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、S i、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

(3)在所述相变材料层上制备上电极层，上电极层的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

(4)在所述上电极层上制备引出电极，把上、下电极层通过引出电极与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成，所采用的加工方法为常规的半导体工艺；作为引出电极的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中任一种，或其任意两种或多种组合成的合金材料。

其中，制备所述下电极层、相变材料层、上电极层及引出电极，所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

Sb₂Se₃相变材料具有相变速度快、熔点低等优点，在高速、低功耗相变存储器中有很好的应用前景，但是Sb₂Se₃相变材料的缺点是结晶温度低，用于相变存储器后，芯片的数据保持力较差。通过对相变材料的改性能够同时实现缩短相变材料结晶时间、提高结晶温度和降低相变材料熔点等目的，且方法较简单易行。本发明为了改善Sb₂Se₃相变材料的性能，提出了掺杂改性的(Sb₂Se₃)_100-xY_x相变材料，它不仅保留了Sb₂Se₃相变材料的相变速度快、熔点低等优点，而且结晶温度得到提高，从而克服了Sb₂Se₃相变材料数据保持力差的缺点。

本发明针对相变存储器的存储原理和特点，还设计提出了基于新型相变存储材料(Sb₂Se₃)_100-xY_x的相变存储器器件单元结构，使包含(Sb₂Se₃)_100-xY_x相变材料的相变存储器具有高速、低功耗、良好数据保持力等优越性。

附图说明

图1～4是本发明相变存储器单元制备过程示意图，其中

图1为制备下电极层示意图；

图2为在下电极层上制备相变材料层示意图；

图3为在相变材料层上制备上电极层示意图；

图4为在上电极层上制备引出电极示意图。

图中标记说明：

100-下电极层；200-相变材料层；300-上电极层；400-引出电极

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便，附图并未按照比例绘制。

实施例一

本发明所述的包含(Sb₂Se₃)_100-xY_x相变材料的相变存储器器件单元的制备过程具体如下：

步骤1：参看图1，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种制备下电极层100，本实施例优选采用CVD法制备下电极层100。下电极层100的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物，本实施例优选为W。所得W电极的直径为80nm，高度为200nm。

步骤2：参看图2，在所述下电极层100上制备相变材料层200，相变材料层200的材料为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素，为Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

本实施例中优选为，在W下电极层100上采用磁控溅射法，以(Sb₂Se₃)₉₁Ni₉合金靶制备(Sb₂Se₃)₉₁Ni₉相变材料层200，工艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为200W，衬底温度为25℃，薄膜厚度为200nm。

步骤3：参看图3，在相变材料层200上，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种制备上电极层300。上电极层300的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

本实施例中优选为，在(Sb₂Se₃)₉₁Ni₉相变材料层200上采用磁控溅射法制备上电极层300，材料优选为TiN，工艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时气压为0.2Pa，Ar/N₂的气体流量比例为1∶1，溅射功率为300W，衬底温度为25℃，TiN上电极厚度为40nm。

步骤4：最后参看图4，在所述上电极层300上制备引出电极400，采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种。然后把上、下电极通过引出电极400与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成，所采用的加工方法为常规的半导体工艺；作为引出电极400的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中任一种，或其任意两种或多种组合成的合金材料。

本实施例中优选为，采用磁控溅射法制备引出电极400，材料为Al，引出电极400薄膜厚度为500nm，采用普通半导体工艺刻蚀出引出电极400，与器件单元的控制开关、驱动电路和外围电路集成，从而制备出完整的相变存储器器件单元。

实施例二

与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，相变材料层300的制备方法改为AVD或ALD法，其余步骤与实施例一完全相同，亦可达到相同的技术效果。

实施例三

与实施例一或二采用相同的技术方案，不同之处在于把实施例一或二中的相变材料改为(Sb₂Se₃)₉₂N₈。其中对Sb₂Se₃材料掺杂的元素为C、N或O中任一种，此处优选为N。N的掺杂采用反应磁控溅射法，工艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时气压为0.3Pa，Ar/N₂的气体流量比例为25∶1，溅射功率为500W，衬底温度为25℃。

实施例四

与实施例一或二采用相同的技术方案，不同之处在于把实施例一或二中的相变材料改为(Sb₂Se₃)₈₂Sn₁₈，Sn的掺杂除采用实施例一或二中的方法外，也可以采用双靶共溅射方法，工艺参数为：本底气压为1×10^-5Pa，溅射时Ar气气压为0.2Pa，Sb₂Se₃靶溅射功率为600W，Sn靶溅射功率为150W，衬底温度为25℃，薄膜厚度为200nm。其中对Sb₂Se₃材料掺杂的元素为Sn、Ag、Al中任一种，此处优选为Sn。

实施例五

与实施例一或二采用相同的技术方案，不同之处在于把实施例一或二中的相变材料改为(Sb₂Se₃)₉₆Si₄。其中对Sb₂Se₃材料掺杂的元素为As、Ga、In、Ge、Si中任一种，此处优选为Si。

实施例六

与实施例一或二采用相同的技术方案，不同之处在于把实施例一或二中的相变材料改为(Sb₂Se₃)₉₈Ge₂。其中对Sb₂Se₃材料掺杂的元素为As、Ga、In、Ge、Si中任一种，此处优选为Ge。

对上述实施例中的相变存储器器件单元的存储材料进行测试。测试方法为：相变材料的结晶温度和熔点采用差分扫描量热仪(DSC)方法测试；相变速度采用脉冲激光或脉冲电信号测试器件单元的电阻随脉宽增加的变化趋势，电阻发生降低突变时对应的脉冲宽度定义为相变材料的相变速度，测试结果如下：

实施例中(Sb₂Se₃)_100-xY_x相变材料及Sb₂Se₃相变材料特性对比表

从实施例中可明显看出，本发明(Sb₂Se₃)_100-xY_x存储材料的结晶温度相较于Sb₂Se₃存储材料均有所提高，且保留了Sb₂Se₃存储材料的相变速度快、熔点低等优点。采用本发明所述(Sb₂Se₃)_100-xY_x存储材料制备的相变存储器不仅具有高速、低功耗等优点，还具有良好数据保持力等优越特性。

本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。

上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (7)

1.一种掺杂改性的相变材料，其特征在于：其组成表达式为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素。

2.根据权利要求1所述的掺杂改性的相变材料，其特征在于：所述掺杂的元素Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

3.一种包含掺杂改性的相变材料的相变存储器单元，包括下电极层、上电极层以及位于下电极层和上电极层之间的相变材料层，其特征在于：所述相变材料层的材料为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中0＜x≤20，Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

4.根据权利要求3所述的包含掺杂改性的相变材料的相变存储器单元，其特征在于：所述下电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

5.根据权利要求3所述的包含掺杂改性的相变材料的相变存储器单元，其特征在于：所述上电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

6.一种包含掺杂改性的相变材料的相变存储器单元的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备下电极层，下电极层的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

(2)在所述下电极层上制备相变材料层，相变材料层的材料为(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且满足：0＜x≤20，Y代表掺杂的元素，为Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一种。

(3)在所述相变材料层上制备上电极层，上电极层的材料为单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。

(4)在所述上电极层上制备引出电极，把上、下电极层通过引出电极与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成，所采用的加工方法为常规的半导体工艺；作为引出电极的材料为W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中任一种，或其任意两种或多种组合成的合金材料。

7.根据权利要求6所述包含掺杂改性的相变材料的相变存储器单元的制备方法，其特征在于：制备所述下电极层、相变材料层、上电极层及引出电极，所采用的方法为溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种。

Images