CN104241527B - 用于相变存储器的V‑Sb‑Te相变材料体系及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于相变存储器的V‑Sb‑Te相变材料体系及其制备方法，其中，所述V‑Sb‑Te相变材料体系为在Sb‑Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100‑x‑ySbxTey，其中，0.5≤x/y≤4，且50≤x+y≤99.99。本发明的V‑Sb‑Te相变材料体系具有相变速度快和操作功耗低，并有较佳的数据保持力和相稳定性，可以极大地拓展Sb‑Te相变材料体系的应用范围。同时，V元素可以极大地减小Sb‑Te材料体系的晶粒尺寸，使得材料有更好的可微缩性能，这也减小了材料相变前后的体积变化率，提高了材料的抗疲劳特性。另外，V元素与Sb‑Te材料体系有较好的相容性，整个材料表现为均一相。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变材料及制备方法，特别是涉及一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系及其制备方法。
背景技术
相变存储器是新兴非易失性存储技术，其较好的数据保持力，较快的数据读写速度，较高的循环擦写次数成为下一代主流存储器的强有力竞争者。相变存储器的核心是相变材料，其利用相变材料在非晶和多晶两种状态之间的转变来实现光学或电学存储。根据相变材料晶化程度不同相变存储器可以实现二级以及多级存储。而且相对于现在市场上主流的电荷存储设备，相变存储器有较好的尺度收缩特性，有利于小尺寸高密度的存储芯片的开发和使用。
一般来说，相变存储器是利用激光脉冲或电脉冲产生的焦耳热使相变材料发生非晶态和多晶态之间的相转变。其中相变材料的性能决定了相变存储器所能达到的各项物理极限。当前常用的相变存储材料体系主要是Ge-Sb-Te，Ge-Te和Sb-Te三种合金。三种合金各具优势，有着不同的应用范围。其中生长主导的相变模式使得Sb-Te体系相变材料具有非常快的相变速度，同时其熔点相对较低，使得其常常表现出较低的相转变功耗。所以Sb-Te材料体系被广泛用于高速低功耗的存储应用方向。但是Sb-Te体系的最大弱点就是结晶激活能较小，这使得其非晶态有较差的热稳定性，这极大地限制了Sb-Te体系在高数据保持力方向的应用发展。所以在实际工业化量产过程中都是通过元素掺杂来改善Sb-Te材料体系的适用性，但现有的元素掺杂改性往往也不能满足领域中对相变材料的性能要求。
鉴于以上原因，提供一种在Sb-Te相变材料体系的基础上进行元素掺杂以改善材料性能的新型材料及制备方法实属必要。
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V-Sb-Te相变材料体系及其制备方法，以在不损害Sb-Te相变材料体系相变速度和功耗的同时，提高整个材料体系的热稳定性。同时，V元素可以极大地减小Sb-Te材料体系的晶粒尺寸，使得材料有更好的可微缩性能，这也减小了材料相变前后的体积变化率，提高了材料的抗疲劳特性。另外，V元素与Sb-Te材料体系有较好的相容性，整个材料表现为均一相。
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V-Sb-Te相变材料体系，其中，所述V-Sb-Te相变材料体系为在Sb-Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100-x-ySbxTey，其中，0.5≤x/y≤4，且50≤x+y≤99.99。
作为本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的一种优选方案，在所述V100-x-ySbxTey中，1.6≤x/y≤4。
作为本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的一种优选方案，在所述V100-x-ySbxTey中，x的取值范围为20≤x≤80，y的取值范围为10≤y≤65。
作为本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的一种优选方案，所述V-Sb-Te相变材料体系中，V原子百分含量不大于50％。
进一步地，所述V-Sb-Te相变材料体系中，V原子百分含量为0.1％～30％。
作为本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的一种优选方案，所述V-Sb-Te相变材料体系于在激光脉冲下可以实现光学反射率的可逆转变，在电脉冲作用下可以实现电阻率的可逆转变，实现存储数据的功能。
本发明还提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的制备方法，其中，根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制成V-Sb-Te薄膜材料。
作为本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的制备方法的一种优选方案，其中，根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用SbxTey合金靶以及V单质靶进行共溅射，或者使用Sb单质靶，Te单质靶和V单质靶三靶共溅射的方式制成V-Sb-Te薄膜材料。
如上所述，本发明提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系及其制备方法，其中，所述V-Sb-Te相变材料体系为在Sb-Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100-x-ySbxTey，其中，0.5≤x/y≤4，且50≤x+y≤99.99。本发明的V-Sb-Te相变材料体系具有相变速度快和操作功耗低，并有较佳的数据保持力和相稳定性，可以极大地拓展Sb-Te相变材料体系的应用范围。同时，V元素可以极大地减小Sb-Te材料体系的晶粒尺寸，使得材料有更好的可微缩性能，这也减小了材料相变前后的体积变化率，提高了材料的抗疲劳特性。另外，V元素与Sb-Te材料体系有较好的相容性，整个材料表现为均一相。
附图说明
图1显示为传统的Sb2Te3相变材料，以及本发明所提供的用于相变存储器的不同比例的V-Sb-Te材料薄膜的方块电阻随退火温度的升高而变化的趋势。
图2显示为本发明所提供的用于相变存储器的V-Sb-Te相变薄膜材料的两次晶型转变。
图3显示为本发明所提供的用于相变存储器的V-Sb-Te相变薄膜材料电阻对数随温度变化趋势。
图4显示为本发明所提供的用于相变存储器的V-Sb-Te相变薄膜材料的数据保持力拟合关系曲线。
图5显示为本发明所提供的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料应用与相变存储单元中，所形成的器件单元电阻与所施加的电压脉冲关系。
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。
请参阅图1～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。
实施例1
本实施例提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其中，所述V-Sb-Te相变材料体系为在Sb-Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100-x-ySbxTey，其中，0.5≤x/y≤4(其中x/y代表x与y的比值)，且50≤x+y≤99.99(其中x+y表示x于y的和)。
优选地，在所述V100-x-ySbxTey中，1.6≤x/y≤4，其中，x的取值范围为20≤x≤80，y的取值范围为10≤y≤65，V原子百分含量不大于50％。在本实施例中，所述V-Sb-Te相变材料体系中，V原子百分含量为0.1％～30％。
所述V-Sb-Te相变材料体系于在激光脉冲下可以实现光学反射率的可逆转变，在电脉冲作用下可以实现电阻率的可逆转变，实现存储数据的功能。
本实施例还提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的制备方法，其中，所述制备方法根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制成V-Sb-Te薄膜材料，其中，包括溅射法、电子束蒸发，原子层沉积等。例如，根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用SbxTey合金靶以及V单质靶进行共溅射，或者使用Sb单质靶，Te单质靶和V单质靶三靶共溅射的方式制成V-Sb-Te薄膜材料。
具体地，在本实施例中，所述V-Sb-Te相变材料的化学通式为V10Sb36Te54，并采用Sb2Te3合金靶和V单质靶共溅射的方式获得V10Sb36Te54薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sb2Te3合金靶采用直流电源，V靶采用射频电源进行溅射，溅射时间20分钟，获得的V10Sb36Te54薄膜厚度为120nm。
图1显示为Sb2Te3和V10Sb36Te54薄膜电阻随温度曲线变化趋势曲线图。所用的升温速率为20℃/min。由图中可见，由于Sb2Te3的非晶态热稳定性比较差，在室温沉积状态下已经呈现面心立方为主的多晶形态。当温度进一步升高，面心立方为主的多静态电阻呈持续下降的趋势，这意味着以面心立方为主的多晶态正向着以六方为主的多晶态转变。当我们对Sb2Te3母体材料进行V掺杂时，少量的V元素会使Sb2Te3的沉积态电阻大幅升高，并且随着温度的持续上升材料呈现两次结晶过程(如图2所示)，可见V元素的掺入大大提高了Sb2Te3的非晶态热稳定性。室温下V-Sb-Te可以表现出非晶形态，加大了高低阻态比值，提高了存储材料的容噪空间。
图3显示为V10Sb36Te54薄膜电阻对数值对温度的一阶微分曲线变化趋势。可以看出两个最小值对应的是两次结晶转变的相转变温度。其中第一个温度为142℃，对应着非晶态向面心立方为主的多晶态转变。第二个温度为218℃对应着以面心立方为主的多晶态向以密排六方为主的多晶态的转变。
图4显示为根据阿瑞尼乌斯公式推算不同数据保持时间所对应的温度的关系。保持力是相变材料的重要特性，是相稳定性的集中反映。由图中可知，V10Sb36Te54薄膜可以在室温下保持非晶状态，其十年数据保持温度为63℃。另外我们还可以从拟合曲线中推算出V10Sb36Te54材料的结晶激活能为2.64eV，曲线拟合误差为0.6％以下。
图5显示为基于V10Sb36Te54薄膜的相变器件单元的电压-电阻关系曲线，测试所用的电压脉冲为500-50ns，脉冲下降沿为3ns。从图4中可知，从非晶到多晶所需的电压脉冲的脉高为1.5V。而从多晶到非晶所需的电压脉冲的脉高为2.7V。
实施例2
本实施例提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料，所述V-Sb-Te相变材料的化学通式为V30Sb28Te42，并采用Sb2Te3合金靶和V单质靶共溅射的方式获得V30Sb28Te42薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sb2Te3合金靶采用直流电源，V靶采用射频电源进行溅射，溅射时间20分钟，获得的V30Sb28Te42薄膜厚度约为120nm。其中，获得V30Sb28Te42薄膜的性能相比于传统的Sb-Te相变材料在热稳定性、数据保持能力等性能均有所提高。
实施例3
本实施例提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料，所述V-Sb-Te相变材料的化学通式为V1Sb40Te59，并采用Sb2Te3合金靶和V单质靶共溅射的方式获得V1Sb40Te59薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sb2Te3合金靶采用直流电源，V靶采用射频电源进行溅射，溅射时间20分钟，获得的V1Sb40Te59薄膜厚度约为120nm。其中，获得V1Sb40Te59薄膜的性能相比于传统的Sb-Te相变材料在热稳定性、数据保持能力等性能均有所提高。
实施例4
本实施例提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料，所述V-Sb-Te相变材料的化学通式为V50Sb20Te30，并采用Sb2Te3合金靶和V单质靶共溅射的方式获得V50Sb20Te30薄膜，通过控制溅射时间可以控制材料的不同厚度。在本实施例中，溅射是在99.999％的氩气气氛下，Sb2Te3合金靶采用直流电源，V靶采用射频电源进行溅射，溅射时间20分钟，获得的V50Sb20Te30薄膜厚度约为120nm。其中，获得V50Sb20Te30薄膜的性能相比于传统的Sb-Te相变材料在热稳定性、数据保持能力等性能均有所提高。
由实施例1～4可以看出，本发明的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的优势表现在如下方面：
在电脉冲或激光脉冲的作用下，能实现电阻率或光学反射率的可逆转变，利用这种可逆转变可以实现数据存储功能。
在作为相变存储介质时，V的掺入即保持了Sb-Te体系的较快的相变速度和较低的相转变功耗，同时提高了材料的非晶态热稳定性，提高了材料的数据保持力。
V元素与Sb-Te体系有较好的相容性，不会导致材料的相分离现象，进而提高了材料的可靠性和循环操作稳定性。
如上所述，本发明提供一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系及其制备方法，其中，所述V-Sb-Te相变材料体系为在Sb-Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100-x-ySbxTey，其中，0.5≤x/y≤4，且50≤x+y≤99.99。本发明的V-Sb-Te相变材料体系具有相变速度快和操作功耗低，并有较佳的数据保持力和相稳定性，可以极大地拓展Sb-Te相变材料体系的应用范围。同时，V元素可以极大地减小Sb-Te材料体系的晶粒尺寸，使得材料有更好的可微缩性能，这也减小了材料相变前后的体积变化率，提高了材料的抗疲劳特性。另外，V元素与Sb-Te材料体系有较好的相容性，整个材料表现为均一相。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 (7)
1.一种用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其特征在于，所述V-Sb-Te相变材料体系为在Sb-Te相变材料体系基础上掺V而成，其化学通式为V100-x-ySbxTey，其中，0.5≤x/y<4，且50≤x+y≤99.99，所述V-Sb-Te相变材料体系在电脉冲作用下可以实现电阻率的可逆转变，实现存储数据的功能，其中，所述V-Sb-Te系列材料采用SbxTey合金靶以及V单质靶进行共溅射，或者使用Sb单质靶，Te单质靶和V单质靶三靶共溅射法制备。
2.根据权利要求1所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其特征在于：在所述V100-x-ySbxTey中，1.6≤x/y<4。
3.根据权利要求1所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其特征在于：在所述V100-x-ySbxTey中，x的取值范围为20≤x≤80，y的取值范围为10≤y≤65。
4.根据权利要求1所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其特征在于：所述V-Sb-Te相变材料体系中，V原子百分含量不大于50％。
5.根据权利要求4所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系，其特征在于：所述V-Sb-Te相变材料体系中，V原子百分含量为0.1％～30％。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的制备方法，其特征在于：根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用物理气相沉积法制成V-Sb-Te薄膜材料。
7.根据权利要求6所述的用于相变存储器的V-Sb-Te相变材料体系的制备方法，其特征在于：根据化学通式V100-x-ySbxTey中V、Sb与Te的不同配比，采用SbxTey合金靶以及V单质靶进行共溅射，或者使用Sb单质靶，Te单质靶和V单质靶三靶共溅射的方式制成V-Sb-Te薄膜材料。
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