CN102185106B - 相变存储材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变存储材料及其制备方法，所述相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10<x<90，0<y<50。相较于现有技术，所述相变存储材料结构简单、晶粒小、加热效率高、功耗低、器件存储速度快以及结晶温度高、热稳定性好和数据保持力强等优点。

Description

相变存储材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及存储器领域，特别涉及一种应用于存储器件的相变存储材料及其制备方法。

背景技术

在半导体市场中，存储器(例如DRAM和FLASH)占有重要席位，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。

相变存储器(PC-RAM)是近年来兴起的一种非挥发半导体存储器，它利用相变复合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。它与目前已有的多种半导体存储技术相比，具有低功耗，高密度、抗辐照、非易失性、高速读取、循环寿命长(＞10¹³次)、器件尺寸可缩性(纳米级)，耐高低温(-55℃至125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单(能和现有的集成电路工艺相匹配)等优点，是目前被工业界广泛看好的下一代存储器中最有力的竞争者，拥有广阔的市场前景。

相变存储器(PC-RAM)大多以硫系化合物为存储介质，在相变存储器研发中，常用的相变存储材料主要有Ge₂Sb₂Te₅、Si₂Sb₂Te₆等锗-锑-碲(Ge-Sb-Te，GST)混合物，故而又称为硫系化合物随即存储器。具体地，可以利用电脉冲或光脉冲产生的焦耳热使相变存储材料在非晶态(高阻)与晶态(低阻)之间发生可逆相变而实现数据的写入和擦除，数据的读出则通过测量电阻的状态来实现，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。如授权公告号为CN100590903C中国发明专利文献揭示了一种用于相变存储器的Si-Te-Sb系列相变薄膜材料。

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，一股为几百纳秒(ns)，影响擦写速度和器件可靠性；另外其结晶温度较低，为160℃左右，数据保持力得不到保证，面临着数据丢失的危险，制约了其开发相变存储器件商用的进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变存储材料及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储材料在相变时密度变化大，结晶速度不佳以及结晶温度较低、热稳定性较差及数据保持性能较弱的问题。

本发明提供一种相变存储材料，所述相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10＜x＜90，0＜y＜50。

可选地，所述Si_xBi_yTe_100-(x+y)相变存储材料在外部电驱动脉冲作用下具有可逆相变的材料，高阻态的电阻比低阻态的电阻之比至少达到两个数量级。

可选地，元素Si以独立的非晶相存在，不与Bi-Te中的元素成键。

可选地，所述存储材料中具有相变能力的Bi-Te分隔成形状大小可控的微小区域且分散均匀的纳米复合材料。

可选地，所述微小区域的尺寸为纳米尺寸。

可选地，所述相变存储材料的结晶温度随着Si含量增加而升高。

本发明另提供一种获取所述相变存储材料的制备方法，包括：采用Si单质靶和Bi-Te合金靶分别在铝箔和硅衬底上利用射频磁控共溅射工艺制备而成的；所述相变存储材料的化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10＜x＜90，0＜y＜50。

可选地，采用Si单质靶和Bi-Te合金靶射频磁控共溅射的工艺参数包括：本底真空度小于2x10^-4Pa，溅射气压为0.21Pa至0.22Pa，溅射气体为氩气，温度为室温，Si单质靶和Bi-Te合金靶均采用射频电源，施加在Si单质靶上的射频电源功率为0W至200W，施加在Bi-Te合金靶上的射频电源功率为0W至50W，溅射时间为10分钟至50分钟，沉积薄膜厚度为200nm至350nm。

本发明提供的相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，具有纳米复合特性，非晶相Si将相变材料Bi-Te隔成形状和大小可控的微小区域，得到相变材料晶粒更小，弥补了单一材料的缺点，提高了加热效率、降低功耗，而且提高了器件存储速度。

另外，本发明提供的相变存储材料具有结晶温度高、热稳定性好和数据保持力强等优点。

附图说明

图1为本发明Si-Bi-Te系列相变存储材料分别在室温非晶态和高温退火后多晶态的X射线衍射图谱；

图2为本发明Si-Bi-Te系列相变存储材料不同组分通过加热原位测得的电阻率变化与温度变化的关系曲线。

具体实施方式

本发明的发明人发现：在现有的相变存储器中，广泛采用的是锗-锑-碲三元体系的相变存储材料，所述相变存储材料存在相变时密度变化大，结晶速度不佳以及结晶温度较低、热稳定性较差及数据保持性能较弱等问题。

因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种新型的相变存储材料及其制备方法，所述相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，具有纳米复合特性，晶粒小、加热效率高、器件存储速度快；并具有结晶温度高、热稳定性好和数据保持力强等优点。

以下将通过具体实施例来对发明进行详细说明。

本发明提供一种为硅-铋-碲的化合物的相变存储材料，其化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10＜x＜90，0＜y＜50。

本发明所述的用于相变存储器的Si-Bi-Te系列相变薄膜材料在外部能量(例如为：热驱动、电子束驱动、电脉冲驱动或者激光驱动)的作用下可逆变化前后，材料会有不同的晶体结构，会发生非晶态(高阻)和多晶态(高阻)之间的可逆转变，其中，高阻态的电阻比低阻态的电阻之比至少达到两个数量级。而在多晶态下，Si-Bi-Te系列相变材料中的元素Si是以独立的非晶相存在，并不与相变材料Bi-Te中的元素成键(Bonding)。如此，相变材料Bi-Te被非晶相Si分隔成形状和大小可控的微小区域。所述微小区域的尺寸为纳米级别，例如，在较佳实施例中，所述微小区域的尺寸可以为2nm至20nm，使得相变材料晶粒很小，弥补了单一材料的缺点，预示着材料会有很好的疲劳特性，从而提高了加热效率并相应降低功耗。

对于上述Si-Bi-Te系列相变存储材料，其制备方法采用的多靶共溅射工艺。即：采用Si单质靶和Bi-Te合金靶分别在铝箔和硅衬底上利用射频磁控共溅射工艺制备而成的。所述多靶共溅射的工艺参数包括：在溅射时，本底真空度小于2x10^-4Pa，溅射气压为0.21Pa至0.22Pa，溅射气体为氩气，温度为室温，Si单质靶和Bi-Te合金靶均采用射频电源，施加在Si单质靶上的射频电源功率为0W至200W(优选地，例如为100W)，施加在Bi-Te合金靶上的射频电源功率为0W至50W(优选地，例如为12W)，溅射时间为10分钟至60分钟(优选地，例如为45分钟)，沉积薄膜厚度为200nm至350nm。需特别说明的是，在实际应用中，相变存储材料最终组分及厚度可以通过不同靶材改变功率以及不同的溅射时间来决定。另外，相变存储材料的制备方法并不仅限于多靶共溅射工艺，也可以使用其他的薄膜制备方法，例如，在其他实施例中，采用电子束蒸发，以对相应的材料进行蒸发制备。

通过对上述制备而成的Si-Bi-Te系列相变存储材料进行各项测试，用来衡量相变存储材料的相变特性，包括结晶温度、热稳定性，相变前后的电阻率和结构变化，以及相变存储器的性能。

图1为本发明Si-Bi-Te系列相变存储材料分别在室温非晶态和高温退火多晶态的X射线衍射图谱。如图1所示，在室温下，Si-Bi-Te系列相变存储材料为非晶态(沉积态)；高温退火(300℃退火3分钟)后，有相变存储材料从非晶态转变为多晶态。通过x射线衍射图谱(X-rayDiffraction，XRD)的观察，Si-Bi-Te系列相变存储材料在结晶温度以上表现出单一的晶体结构，表明其器件性能更稳定。

图2为本发明Si-Bi-Te系列相变存储材料不同组分通过加热原位测得的电阻率变化与温度变化的关系曲线。如图2所示，对本发明的Si-Bi-Te系列相变存储材料进行电阻率测试，得到温度-电阻率关系曲线。在图2中，对于该种组分配比的Si-Bi-Te系列相变存储材料，其结晶温度为325℃。可以看出，在325℃以下，Si-Bi-Te系列相变存储材料处于电阻为高阻态的非晶态；随着温度升高至温度325℃，Si-Bi-Te系列相变存储材料开始结晶，并且伴随电阻降低，转变为电阻为低阻态的多晶态。在这里，Si-Bi-Te系列相变存储材料的结晶温度(325℃)较高，有利于数据保持力的提高。对于本发明而言，所述相变存储材料的结晶温度随着Si含量增加而升高，因此，在实际应用中，可以通过调整Si含量而改变结晶温度，例如结晶温度的范围可以是150℃至400℃。

本发明提供的相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，具有纳米复合特性，非晶相Si将相变材料Bi-Te隔成形状和大小可控的微小区域，得到相变材料晶粒更小，弥补了单一材料的缺点，提高了加热效率、降低功耗，而且提高了器件存储速度。

另外，本发明提供的相变存储材料具有结晶温度高、热稳定性好和数据保持力强等优点。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种相变存储材料，其特征在于，所述相变存储材料为硅-铋-碲的化合物，化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10<x<90，0<y<50；所述Si_xBi_yTe_100-(x+y)相变存储材料中元素Si以独立的非晶相存在，不与Bi-Te中的元素成键；具有相变能力的Bi-Te分隔成形状大小可控的微小区域且分散均匀的纳米复合材料，所述微小区域的尺寸为2nm至20nm的纳米级别；所述相变存储材料的结晶温度随着Si的含量增加而升高，所述结晶温度高至325℃。

2.如权利要求1所述的相变存储材料，其特征在于，所述Si_xBi_yTe_100-(x+y)相变存储材料在外部电驱动脉冲作用下具有可逆相变的材料，高阻态的电阻比低阻态的电阻之比至少达到两个数量级。

3.一种获取如权利要求1至2中任一项所述相变存储材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用Si单质靶和Bi-Te合金靶分别在铝箔和硅衬底上利用射频磁控共溅射工艺制备而成的；所述相变存储材料的化学通式为Si_xBi_yTe_100-(x+y)，其中，10<x<90，0<y<50。

4.如权利要求3所述的相变存储材料的制备方法，其特征在于，采用Si单质靶和Bi-Te合金靶射频磁控共溅射的工艺参数包括：本底真空度小于2x10^-4Pa，溅射气压为0.21Pa至0.22Pa，溅射气体为氩气，温度为室温，Si单质靶和Bi-Te合金靶均采用射频电源，施加在Si单质靶上的射频电源功率为0W至200W，施加在Bi-Te合金靶上的射频电源功率为0W至50W，溅射时间为10分钟至60分钟，沉积薄膜厚度为200nm至350nm。

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