CN102142518B - 一种相变存储材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变存储材料及其制备方法，该相变存储材料包括铝锑二元材料，所述铝锑二元材料的组成式为AlxSb1-x，其中0<x<1；所述相变存储材料还包括对铝锑二元材料进行掺杂的掺杂材料，所述掺杂材料为氧、氮、硼、硅、锗中的一种或多种；所述相变存储材料中的铝材料的原子百分比为1%～20%。本发明所述的铝锑二元材料组分简单，不含有毒元素，并且与互补金属氧化物半导体(CMOS)器件制造工艺兼容性非常好，是一种对环境友好的可用于相变存储器的存储材料。
Description
技术领域
本发明属于存储材料领域，涉及一种相变存储材料及其制备方法。
背景技术
相变存储器的研究是目前存储器研究的热点，具有广阔的市场前景。现有的相变存储器大致分为两类，一类是已经商业化的多媒体数据光盘(DVD)，另一类是正处于研究中的硫系化合物随机存储器(Chalcogenide random access memory，C-RAM)。C-RAM集高速、高密度、结构简单、成本低廉、抗辐照、非易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代存储器的有力竞争者，它将替代目前广泛使用的闪存在电子存储器领域占据重要一席，故它的研究开发受到了全球各大半导体公司的关注。
在C-RAM的研发过程中，作为存储器媒介的相变材料是提高C-RAM器件性能的关键之一。目前在C-RAM中研究和使用较多的相变存储材料是锗锑碲合金(Ge-Sb-Te)，特别是Ge2Sb2Te5，该材料是利用可逆相变前后电阻的差异实现数据存储的。虽然Ge2Sb2Te5在热稳定性、读写速度上有着比较突出的性能，但是同样面临着严峻的问题：首先，材料的结晶温度较低(约为165℃左右)，虽然基于Ge2Sb2Te5的存储器数据能够在110℃下保持10年，但是存储器在高温时依然面临着数据丢失的危险；其次，材料中的碲对人体和环境有着负面的影响，并不环保；此外，由于碲元素的低熔点、低蒸汽压，容易在高温制备过程中产生挥发，它对半导体工艺的污染问题目前也属于未知数，对半导体生产线有一定威胁，所以极大限制和阻碍了含碲相变存储器的开发和研究；最后，Ge-Sb-Te材料是三种元素的合金，各种元素都具有不同的化学和物理性能，给微细加工等后续工艺带来不便。
综上所述，目前相变存储器使用的相变材料还有一些需要改进的地方，特别是材料中的碲如果能被取代或者去除，那将对相变存储器的发展提供一个新的机遇。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种相变存储材料，该相变存储材料不含有毒元素；
此外，本发明还提供一种相变材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种相变存储材料，包括铝锑二元材料，所述铝锑二元材料的组成式为AlxSb1-x，其中0＜x＜1。
作为本发明的一种优选方案，所述相变存储材料还包括对铝锑二元材料进行掺杂的掺杂材料，所述掺杂材料为氧、氮、硼、硅、锗中的一种或多种。
作为本发明的另一种优选方案，所述相变存储材料中的铝材料的原子百分比为1％～20％。
一种相变存储材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备好Al靶和Sb靶；
步骤二，采用双靶磁控共溅射的方法对Al靶和Sb靶进行共溅射，在共溅射得同时通入Ar气；具体的工艺参数如下：Al靶采用射频功率电源；Sb靶采用直流电源，溅射气压为0.26Pa。
作为本发明的一种优选方案，所述Al靶和Sb靶的原子百分比纯度均为99.999％，直径均为75mm，厚度均为5mm。
作为本发明的另一种优选方案，所述Ar气的纯度为99.999％。
作为本发明的再一种优选方案，Al靶采用的射频功率电源的射频功率为20W，Sb靶采用的直流电源的直流功率为25W，薄膜组分为Al0.2Sb0.98。
作为本发明的再一种优选方案，Al靶采用的射频功率电源的射频功率为60W，Sb靶采用的直流电源的直流功率为25W，薄膜组分为Al0.18Sb0.82。
本发明的有益效果在于：本发明所述的铝锑二元材料组分简单，不含有毒元素，并且与互补金属氧化物半导体(CMOS)器件制造工艺兼容性非常好，是一种对环境友好的可用于相变存储器的存储材料。
附图说明
图1为铝含量约为百分之二原子比的铝锑二元材料的电阻随温度的变化曲线示意图；
图2为铝含量约为百分之十八原子比的铝锑二元材料的电阻随温度的变化曲线示意图；
图3为铝含量约为百分之二原子比的铝锑二元材料在R-T测试前后的XRD图；
图4为铝含量约为百分之十八原子比的铝锑二元材料在R-T测试前后的XRD图；
图5为基于铝锑二元材料的相变存储器的高阻态测试的V-I曲线示意图；
图6为基于铝锑二元材料的相变存储器的电阻与脉冲电压(R-V)的关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例一
本实施例提供一种相变存储材料，该材料包括铝锑二元材料，铝锑二元材料的组成式为AlxSb1-x，式中x为铝元素的原子百分比，且0＜x＜1。对铝锑二元材料进行氧、氮、硼、硅、锗中的一种或多种掺杂后的组分中，铝材料的原子百分比在1％到20％之间。
所述相变存储材料为在外部能量作用下具有可逆变化的材料，所述外部能量作用包括电驱动、激光脉冲驱动或电子驱动。所述铝锑二元材料AlxSb1-x在施加电脉冲信号的情况下，会发生高阻态与低阻态之间的可逆转换，具有高低阻态可逆转换的特性，可以用于实现数据存储。在可逆变化前后，铝锑二元材料AlxSb1-x的电阻率和反射率有较大的变化，是用于存储器的理想材料。此外，它还是一种环境友好的材料，成份简单，便于成份的严格控制，同时也便于后续的半导体工艺加工。通过对铝锑二元材料AlxSb1-x电阻率随时间变化的研究发现，该材料的非晶态在升温至某一温度后结晶，电阻率迅速下降，材料的结晶温度和熔化温度与其中的铝含量密切相关，铝含量越高材料的结晶温度和熔点越高。因此通过控制铝锑二元材料AlxSb1-x中铝的含量可以控制材料的结晶温度、熔点和电阻率。
与传统的用于相变存储器的SbTe、GeSbTe和SiSbTe等相变薄膜材料相比，本发明所述的铝锑二元材料AlxSb1-x组分简单，不含有毒元素，并且与互补金属氧化物半导体(CMOS)器件制造工艺兼容性非常好，是一种对环境友好的可用于相变存储器的存储材料。
实施例二
本实施例提供一种实施例一所述的相变存储材料的制备方法，该制备方法为采用双靶磁控共溅射的方法制备AlxSb1-x薄膜，具体包括以下步骤：
1、先制备好直径均为75mm、厚度均为5mm的Al靶和Sb靶，靶的纯度均为99.999％(原子百分比)；
2、然后采用双靶磁控共溅射的方法，在共溅射过程中同时通入纯度为99.999％的Ar气；具体的工艺参数如下：
1)Al靶采用射频功率电源；
2)Sb靶采用直流电源，选择Sb靶的功率为25W；
3)溅射气压为0.26Pa。
利用本实施例所述的相变存储材料制备方法，通过改变Al靶上的射频功率可以得到不同溅射速率和不同组分的AlxSb1-x薄膜。通过扫描电子显微镜的剖面观察分析可以得知AlxSb1-x薄膜的厚度；用能量弥撒X射线探测器分析可以得知AlxSb1-x薄膜中各元素所占的比例。
运用如上的分析测试可以获得不同组分的AlxSb1-x薄膜，例如：
1、Al靶射频功率为20W、Sb靶直流功率为25W时，薄膜组分为Al0.2Sb0.98；
2、Al靶射频功率为60W、Sb靶直流功率为25W时，薄膜组分为Al0.18Sb0.82。
实施例三
本实施例针对实施例二所述的两种组分铝锑二元材料Al0.2Sb0.98和Al0.18Sb0.82进行温度-电阻(R-T)测试，测试结果如图1和图2所示。
图1为铝含量为百分之二原子比的铝锑二元材料的电阻随温度变化的曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程，空心曲线为冷却过程。由图1可知，当合金材料中的铝含量为百分之二原子比时，材料的电阻随着温度上升而下降，并且在温度为480K左右的时候剧烈下降。该R-T测试表明，铝锑二元材料Al0.2Sb0.98的结晶温度约为480K，而高、低电阻率的差异达到两个数量级。
图2为铝含量为百分之十八原子比的铝锑二元材料的电阻随温度变化的曲线(R-T)，其中实心曲线为升温过程，空心曲线为冷却过程。同样的，由图2可知，当合金材料中的铝含量为百分之十八原子比时，材料的电阻随着温度上升而下降，并且在温度为530K左右的时候剧烈下降。该R-T测试表明，铝锑二元材料Al0.18Sb0.82的结晶温度约为530K，而高、低电阻率的差异达到两个数量级。
图3和图4分别为铝锑二元材料Al0.2Sb0.98和Al0.18Sb0.82在沉积态(a)和经R-T测试后(b)的X射线衍射(X-ray Diffraction，XRD)图谱，从图谱可知，合金材料处于高阻态和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，铝锑二元材料AlxSb1-x的电阻的变化是由于相变造成的。
实施例四
本实施例提供一种铝锑基相变存储器件的制备方法，包括以下步骤：
1、清洗两块(100)取向的硅衬底，在其中一块硅衬底上制备100nm厚的钨电极；
2、在另一块硅衬底和长有钨电极的硅衬底上沉积铝锑二元材料AlxSb1-x；该铝锑二元材料AlxSb1-x的制备方法如实施例二所述；
3、在Si(100)/W/AlxSb1-x薄膜上制备100nm的氧化硅绝缘层，利用半导体常规的曝光-刻蚀工艺在氧化硅绝缘层上刻出直径为500nm的小孔，在直径为500nm的小孔内再沉积300nm铝电极，再次利用曝光-刻蚀工艺对铝电极进行刻蚀制备出上电极，从而形成铝锑基相变存储器件。
实施例五
本实施例对实施例四所述制备方法制备出的铝锑基相变存储器件进行测试，测试结果如图5和6所示，基于铝锑的PCRAM器件具有在电信号的作用下实现电阻的可逆转换的功能，满足相变存储材料的基本要求。
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。
Claims (5)
1.一种相变存储材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制备好Al靶和Sb靶；
步骤二，采用双靶磁控共溅射的方法对Al靶和Sb靶进行共溅射，在共溅射得同时通入Ar气；具体的工艺参数如下：Al靶采用射频功率电源；Sb靶采用直流电源，溅射气压为0.26Pa。
2.根据权利要求1所述的相变存储材料的制备方法，其特征在于：所述Al靶和Sb靶的原子百分比纯度均为99.999%，直径均为75mm，厚度均为5mm。
3.根据权利要求1所述的相变存储材料的制备方法，其特征在于：所述Ar气的纯度为99.999%。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的相变存储材料的制备方法，其特征在于：Al靶采用的射频功率电源的射频功率为20W，Sb靶采用的直流电源的直流功率为25W，薄膜组分为Al0.2Sb0.98。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的相变存储材料的制备方法，其特征在于：Al靶采用的射频功率电源的射频功率为60W，Sb靶采用的直流电源的直流功率为25W，薄膜组分为Al0.18Sb0.82。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130327 |