CN102361063A - 用于相变存储器的薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于相变存储器的薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料是一种由铜、锑、碲三种元素组成的材料，其通式为Cu_xSb_yTe_z，其中0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。这种材料可以通过调节材料中三种元素的含量得到不同结晶温度、熔点和结晶速率，适当调节Cu-Sb-Te中元素比例，进而可以得到比传统的Ge₂Sb₂Te₅(GST)具有更高的结晶温度、更好的热稳定性、更低的熔点和更快的结晶速度。另外，铜互联是目前超大规模集成电路中的主流互联技术，该技术的广泛应用使得Cu元素的加工工艺趋向成熟，因而本发明的Cu-Sb-Te相变材料易于加工，与COMS兼容性好。

Description

用于相变存储器的薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的相变薄膜材料及其制备方法，特别是涉及一种用于相变存储器的薄膜材料及其制备方法。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是近年来兴起的一种非挥发半导体存储器。与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有器件尺寸可缩的优越性(纳米级)、高速读取、低功耗，高密度、制造工艺简单等优点，是存储器中被工业界广泛看好的有力竞争者，有望替代闪存(Flash技术)成为下一代非挥发存储器的主流存储技术，因而其拥有广阔的市场前景。

所述的相变存储器是利用电脉冲产生的焦耳热使相变存储材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)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。相变存储器的核心是相变存储介质材料，常用的相变存储材料体系主要是碲基材料，如Ge-Sb-Te、Si-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te等。特别是GST(Ge-Sb-Te)已经广泛应用于相变光盘和相变存储器。但也存在如下问题：1，结晶温度较低，芯片陈列中相邻单元串扰问题严重，面临着数据丢失的危险，制约了其应用领域；2，热稳定性不好，数据保持力得不到保证；3，相变速度有待进一步提高，有研究表明基于GST的相变存储器实现稳定RESET操作的电脉冲至少为500纳秒，无法满足动态随机存储器的速度要求。这需要探索具有更快相变速度的存储材料。

因而，如何提供一种热稳定性好，数据保持力强，相变速度快，且与CMOS工艺兼容的相变薄膜材料，是当前技术领域需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于相变存储器的薄膜材料及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储材料表现出的热稳定性和数据保持能力差、相变速度慢的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于相变存储器的薄膜材料，所述薄膜材料是一种由铜、锑、碲三种元素组成的相变材料。

在本发明的薄膜材料中，所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。所述材料体系通过调节元素之间比例可获得不同的结晶温度、不同的熔点和不同的电阻率。所述相变材料通式Cu_xSb_yTe_z中的x，y，z的范围可进一步限定为8≤x≤20，50≤y≤65，25≤y≤35。更为详细地，所述相变材料通式Cu_xSb_yTe_z中具体的组分为Cu₁₀(Sb₂Te)₃₀，Cu₁₄(Sb₂Te)_28.7，或Cu₂₀(Sb2Te1)_26.7，误差范围为3mol％。

在本发明的薄膜材料中，所述相变材料中Cu-Te和Sb-Te均存在稳定性。所述相变材料在电脉冲作用下可逆相变。所述相变存储材料在外部电脉冲下存在两个及其以上稳定的电阻态。所述相变存储材料在非晶态和晶态的电阻率之比至少为5。

本发明还提供一种用于相变存储器的薄膜材料的制备方法，其特征在于：采用磁控溅射制备由铜、锑、碲三种元素组成的相变材料，所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。

在本发明的制备方法中，在所述磁控溅射中采用多靶共溅射制备。

如上所述，本发明的，具有以下有益效果：

本发明所提供的Cu-Sb-Te系列相变材料可以通过外部电脉冲来实现可逆相变，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读取“0”或“1”状态，是较为理想的相变存储材料。

本发明通过调节三种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点、结晶速率和结晶前后电阻比率的存储材料。因而该Cu-Sb-Te系列相变材料可调性非常强，有利于优化相变材料各方面性能。其中，铜、锑、碲能形成Cu-Te和Sb-Te稳定相，这两相在纳米尺度复合，可以组成类似于GeTe和Sb₂Te₃的伪二元体系，因而材料比较稳定，不容易发生分相。Cu-Sb-Te材料比GST具有更好的热稳定性和结晶速度，有助于提高器件的数据保持力和操作速度。由于Cu元素是微电子应用中的常用元素，工艺成熟，这使该Cu-Sb-Te系列相变材料与COMS有很好的兼容性。因此，本发明所述的Cu-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST相比，具有更好的热稳定性，更快的结晶速度，更强的数据保持力。

本发明提供的相变存储材料的制备方法，工艺简单，便于精确控制材料成分。

本发明提供相变存储材料应用到相变存储器中，使得相变存储器具有数据保持力强、擦写速度快，电学性能稳定等优点。

附图说明

图1为应用本发明的薄膜材料制备的垂直结构的相变存储单元结构示意图。

图2为不同铜含量的Cu-Sb-Te的电阻-温度关系图。

图3为不同铜含量的Cu-Sb-Te的数据保持能力计算结果图。

图4为铜含量为14mol％的Cu-Sb-Te相变存储器的电阻-电压关系图。

图5为铜含量为14mol％的Cu-Sb-Te相变存储器的疲劳性能图。

元件标号说明

1     相变存储单元

11    下电极

12    相变薄膜材料

13    过渡层

14    上电极

15    绝缘介质

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明提供一种用于相变存储器的薄膜材料，所述薄膜材料是一种由铜(Cu)、锑(Sb)、碲(Te)三种元素组成的相变材料。于本实施例中，所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。所述材料体系通过调节元素之间比例可获得不同的结晶温度、不同的熔点和不同的电阻率。

更为具体地，所述相变材料通式Cu_xSb_yTe_z中的x，y，z的范围可进一步限定为8≤x≤20，50≤y≤65，25≤y≤35。更为详细地，所述相变材料通式Cu_xSb_yTe_z中具体的组分为Cu₁₀(Sb₂Te)₃₀，Cu₁₄(Sb₂Te)_28.7，或Cu₂₀(Sb2Te1)_26.7，误差范围为3mol％。

在本发明的薄膜材料中，所述相变材料中Cu-Te和Sb-Te均存在稳定性。所述相变材料在电脉冲作用下可逆相变。所述相变存储材料在外部电脉冲下存在两个及其以上稳定的电阻态。所述相变存储材料在非晶态和晶态的电阻率之比至少为5。

本发明还提供一种用于相变存储器的薄膜材料的制备方法，其特征在于：采用磁控溅射制备由铜、锑、碲三种元素组成的相变材料，所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。在本发明的制备方法中，在所述磁控溅射中采用多靶共溅射制备。

在本实施例中，本发明所述的相变存储材料Cu-Sb-Te可以通过多靶共溅射的方法制备，其成分可以通过调节不同靶材对应的功率获得。所述的Cu-Sb-Te也可以通过化学气相沉积，原子层沉积(ALD)，电子束蒸发等方法制备，也可以通过在Sb-Te薄膜中离子注入元素Cu来获得所需原子比例的Cu-Sb-Te材料。

可选地，采用Cu靶和Sb₂Te₁(Sb_xTe，1＜x＜8)合金靶两靶磁控共溅射的工艺参数包括：本底真空度小于2×10^-4帕斯卡，溅射气压为0.18帕斯卡至0.25帕斯卡，溅射气体为氩，温度为室温，施加在Cu靶上的射频电源功率为20瓦至80瓦，施加在Sb₂Te₁(或者Sb_xTe，1＜x＜8)靶上的射频电源功率为8瓦至40瓦，溅射时间为10分钟至60分钟，沉积薄膜厚度为50纳米至300纳米。

请参阅图1至图5，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

上述实施例中的Cu-Sb-Te相变薄膜材料，可以用于垂直结构的相变存储单元。如图所示，所述相变存储单元1包括下电极11、本发明所提供的Cu-Sb-Te相变薄膜材料12、过渡层13、上电极14及绝缘介质15。本发明所提供的Cu-Sb-Te相变薄膜材料12做为存储介质，是该相变存储单元内的核心。下电极11和上电极14可以用AL，Ti，W，石墨，TiN，Cu，TiW或其他导电材料。过渡层13可以为TiN，TaN，厚度约为20纳米。绝缘层15可以为SiO₂，Si₃N₄材料。

需要说明的是，本发明所提供的Cu-Sb-Te相变薄膜材料不局限于图1所示的相变存储器结构，凡是用于相变存储器的各种单元结构(如横向结构)都可以使用，包括利用本发明提供的Cu-Sb-Te相变薄膜材料的晶态和非晶态之间的电阻差异来实现存储的其他功能器件。

对半导体衬底上制备所述的相变存储薄膜Cu-Sb-Te和使用本发明的Cu-Sb-Te作为存储介质的相变存储单元进行了各项测试，以评估相变存储材料的相变特性，包括结晶温度、热稳定性，数据保持能力，以及相变存储器的性能。

图2为所述的相变存储材料Cu-Sb-Te的电阻-温度关系图。从图中可以看出，相变存储材料Cu-Sb-Te的结晶温度可以调节在170-190℃之间，较GST(约140℃)高。相变存储材料的结晶温度随着铜含量的增大而升高。因而通过调节铜的含量可以方便控制相变存储材料Cu-Sb-Te的结晶温度。

如图3所示，Cu-Sb-Te的10年数据保持温度随着Cu含量的增加而升高。当铜含量较低时(≤2mol％)，10年数据保持温度较低(56度左右)。当铜含量大于10mol％时，Cu-Sb-Te材料的数据保持力明显比GST好。同时可以看出，Cu-Sb-Te材料体系的热稳定性和数据保持力可以通过调节铜的含量来进行优化。

将所述相变存储材料Cu-Sb-Te制备成如图1所示的存储器单元，经测试得到该相变存储器的电阻-电压关系，如图4所示。在施加电脉冲之下，所述相变存储器实现可逆相变，且RESET电压(由低阻返回到高阻所对应的电压)较低。例如在200纳秒的电脉冲下，可以得到相变存储器分别在1.3和2.5V实现“擦”(高阻变低阻)和“写”(低阻变高阻)操作。而在相变速度方面，该相变存储器在10纳秒的电脉冲下可以使相变存储器完成“擦写窗口”，远低于GST相变存储器通常报道的500纳秒的“擦写窗口”。因此，所述相变存储器比GST相变存储器在器件操作速度方面有明显的优势。如图5所示，该器件无疲劳地反复擦写次数达到1×10⁵次，且高低电阻之比达到100。

综上所述，与一般的存储材料相比，本发明提供的相变存储材料Cu_xSb_yTe_z薄膜材料，其中0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。热稳定性好，数据保持能力强，结晶速度快，物理性能可调。本发明提供的相变存储材料的制备方法，工艺简单，便于精确控制材料成分和后续工艺。使用所述相变存储材料Cu-Sb-Te制备成的相变存储器，具有操作速度快、电学性能稳定等优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述薄膜材料是一种由铜、锑、碲三种元素组成的相变材料。

2.根据权利要求1所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。

3.根据权利要求1或2所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述相变材料中Cu-Te和Sb-Te均存在稳定性。

4.根据权利要求3所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述相变材料在电脉冲作用下能可逆相变。

5.根据权利要求4所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述相变存储材料在外部电脉冲下存在两个及其以上稳定的电阻态。

6.根据权利要求5所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：所述相变存储材料在非晶态和晶态的电阻率之比至少为5。

7.一种用于相变存储器的薄膜材料的制备方法，其特征在于：采用磁控溅射制备由铜、锑、碲三种元素组成的相变材料，所述相变材料的通式为Cu_xSb_yTe_z，其中，0＜x≤40，15≤y≤85，15≤y≤85。

8.根据权利要求7所述的用于相变存储器的薄膜材料，其特征在于：在所述磁控溅射中采用多靶共溅射制备。

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