CN102134698B - 用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料及其制备方法。该相变材料是一种由铝、锑、碲三种元素组成的混合物，其通式为Alx(SbyTe1)1-x，其中0＜x≤0.85，0.67≤y≤7，可采用磁控溅射的方法制备。所述的材料在外部作用下为电驱动。通过调节化合物中三种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点和结晶激活能的存储材料。由于铝、锑、碲三种元素之间可以两两成键，因而可调性非常强，使得其在相当大的范围内都具有相变特性。适当调节
中元素比例，得到的材料比传统的
材料有更高的结晶温度、更好的热稳定性和数据保持力和较低的熔点，而且继承了
的快速相变能力。另外Al元素是微电子应用中的常用元素，工艺成熟，与COMS兼容性好。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微电子技术领域的相变薄膜材料及制备方法，更确切的说是一种由铝-锑-碲的混合物组成的相变薄膜材料及制备方法。
背景技术
在半导体市场中，存储器占有重要席位，仅DRAM和FLASH两种就占了整个市场的15％，随着便携式电子设备的逐步普及，非挥发性存储器的市场将会不断扩大，消费者们对存储器容量、速度等各方面的要求也会逐渐升高，而作为非挥发性存储器的主流存储器，FLASH技术的发展已经达到瓶颈，随着集成电路的不断发展，FLASH的技术弱点开始变得突出。写入速度慢，写入电压高、循环次数有限等缺点直接限制了其进一步应用。所以急需要一种新的存储技术来代替，使得存储技术能都继续稳步地朝着小尺寸方向发展。
相变存储技术是近几年才兴起的一种新概念存储技术，它利用相变薄膜材料作为存储介质来实现数据存储，具有广阔的应用前景，是目前存储器研究的一个热点，被认为最有希望成为下一代主流存储器。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即存储器。被认为是兼具高速、高密度、低功耗、高可靠性、低成本等诸多性能的半导体存储器。硫系化合物随机存储器的存储功能是靠相变材料在外部能量作用下产生非晶与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，在多晶态时是低阻态，相变就是利用高低电阻态之间的电阻差来实现“0”和“1”的存储的。
在相变存储器中，Ge2Sb2Te5是典型的相变材料，但在应用当中发现，Ge2Sb2Te5材料在相变时有较大的密度变化，结晶速度不佳，一般为几百ns，这会影响到擦写速度和器件可靠性，另外其结晶温度较低，为160℃左右，这使得其在高温下应用存在困难。可见，Ge2Sb2Te5并不是最优秀的相变材料，特别是征对某些特定环境要求的应用。
综上所述，研究开发新的相变材料使器件同时具有操作速度快、高可靠性、高密度、热稳定性强、低成本等多种优点或者在单方面应用上具有突出性能，成为目前急需解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料及其制备方法，该材料热稳定性好、结晶速度快、低功耗、与COMS工艺兼容。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料，是一种由铝、锑、碲三种元素组成的混合物。
优选地，该相变材料的通式为Alx(SbyTe1)1-x，其中0＜x≤0.85，0.67≤y≤7。
优选地，该相变材料中的铝、锑、碲三种元素两两成键，组成三元体系。
优选地，该相变材料中的铝元素和锑元素之间成键，形成AlSb半导体。
优选地，该相变材料采用电脉冲作用实现电阻率的可逆转变。
本发明还提供了一种上述用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料的制备方法：采用磁控溅射制备Alx(SbyTe1)1-x相变材料，其中0＜x≤0.85，0.67≤y≤7。
优选地，在磁控溅射中采用多靶共溅射的方法；例如，采用Al靶和Sb-Te合金靶共溅射，或者用Al靶、Sb靶和Te靶三靶共溅射；当然还可以直接用做好的Al-Sb-Te合金靶单靶溅射。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的Al-Sb-Te系列相变材料可以通过外部电脉冲来实现高低阻态的可逆相变，利用前后阻值差异实现存储功能。其作为存储材料在电脉冲的作用下可逆相变前后有明显的高低阻态之分，差值较大，便于外部电路轻松地分辨“0”或“1”，是较为理想的相变存储材料。
该Al-Sb-Te系列相变材料没有固定任何两种元素的比例，可调性非常强，有利于找到各方面性能优良的相变材料组分。通过调节三种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点和结晶激活能的存储材料；可以使材料相变前后电阻差值大幅度提高。其中，铝、锑、碲三种元素能够两两成键，组成三元体系，并且具有统一的结晶温度点。Al元素和Sb元素之间可以形成AlSb半导体，加强了材料的热稳定性，有助于提高激活能和数据保持力。可见，该材料在相变前后具有较小的体积变化，相变时有较快的结晶速度，而且具有较好的数据保持力，能够在高温下较稳定地工作。
此外，由于Al元素是微电子应用中的常用元素，工艺成熟，这使该Al-Sb-Te系列相变材料与COMS有很好的兼容性。
附图说明
图1为实施例中不同组分Alx(SbyTe1)1-x相变薄膜方块电阻随温度变化关系曲线；
图2a和图2b分别为实施例中Al0.58(Sb0.83Te1)0.42和Sb0.83Te1相变薄膜在不同退火温度下XRD曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。
本发明提出的一种用于相变存储器的铝-锑-碲材料，其组成通式为Alx(SbyTe1)1-x，其中通式中Al的含量不能超过85％，即是说x的取值范围优先推荐0＜x≤0.85，Sb和Te的比例也被控制在一定范围内，优先推荐0.67≤y≤7，是一种含有铝、锑、碲三种元素的混合物薄膜，其制备的方法多样。可以用磁控溅射、PLD、电子束蒸发等多种方法制备。其中，用磁控溅射法制备薄膜相对更为灵活，可以用Al、Sb、Te三靶共溅射的方法，通过控制三个靶位电源功率可以实现组分的调节，也可以用Al和Sb-Te合金靶进行共溅射制备薄膜，还可以直接用做好的Al-Sb-Te合金靶单靶溅射，通过这些方法可以用来制备各种组分的Al-Sb-Te系列相变材料。
实施例一
本实施例通过制备Alx(SbyTe1)1-x相变材料，并对其进行测试来进一步说明本发明的技术方案。具体的制备方法如下：
(1)利用磁控溅射中的双靶共溅射法同时在普通硅衬底和热氧化后的硅衬底上制备Al-Sb-Te薄膜，本底真空度为1.8×10-4Pa，溅射时的氩气气压为0.21Pa。在以上条件下制备了三种组分的薄膜材料。每种组分的参数如下表所示：
(2)将长在氧化片上且未做退火处理的Alx(SbyTe1)1-x薄膜材料做原位电阻测试，如图1所示，发现Sb0.83Te1材料沉积态电阻已经很低，掺入Al元素后，相变薄膜晶态和非晶态电阻变化明显增加，其中Al0.58(Sb0.83Te1)0.42材料电阻变化高于106，这对高低电阻的辨别相当有用。另外，Alx(SbyTe1)1-x材料不仅有较高的非晶态电阻和热稳定性，而且在结晶点附近，其相变速度也得到大幅度提升。
(3)将得到的Sb0.83Te1和Al0.58(Sb0.83Te1)0.42薄膜材料在高纯氮气气氛中用不同温度退火5分钟，退火得到的薄膜进行XRD测试，如图2a-2b所示，可以发现Sb0.83Te1材料常温下就已经结晶，而Al0.58(Sb0.83Te1)0.42材料晶体结构在200℃以后才发生明显变化，这预示着其结晶温度将会高于200℃，相比于传统的Ge2Sb2Te5薄膜材料来说，其结晶温度明显提升，其热稳定性也较Ge2Sb2Te5有了相应的提高，说明该材料有一定的市场前景。
综上所述，本发明所述的用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料相变前后具有较小的体积变化，相变时有较快的结晶速度，而且具有较好的数据保持力，能够在高温下较稳定地工作。且其在电脉冲的作用下能够实现可逆相变，相变前后有高低阻态之分，差值较大，便于外部电路轻松地分辨“0”或“1”，是一种较为理想的相变存储材料。
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，以及用其他基底、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。
Claims (6)
1.一种用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料，其特征在于：该材料是一种由铝、锑、碲三种元素组成的混合物，该材料的通式为Alx(SbyTe1)1-x，其中0.58≤x≤0.85，0.67≤y≤7。
2.根据权利要求1所述用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料，其特征在于：该相变材料中的铝、锑、碲三种元素两两成键，组成三元体系。
3.根据权利要求1所述用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料，其特征在于：该相变材料中的铝元素和锑元素之间成键，形成AlSb半导体。
4.根据权利要求1所述用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料，其特征在于：该相变材料采用电脉冲作用实现电阻率的可逆转变。
5.一种用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料的制备方法，其特征在于：采用磁控溅射制备Alx(SbyTe1)1-x相变材料，其中0.58≤x≤0.85，0.67≤y≤7。
6.根据权利要求6所述用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料的制备方法，其特征在于：在磁控溅射中采用多靶共溅射的方法。
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