CN104485417A

CN104485417A - 一种提高GeSbTe相变性能的技术及其薄膜制备方法

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Publication number: CN104485417A
Application number: CN201410774875.7A
Authority: CN
Inventors: 韩培高; 吴良才; 孟云; 徐岭; 马忠元; 宋志棠
Original assignee: Qufu Normal University
Current assignee: Qufu Normal University
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明提出一种提高Ge-Sb-Te相变性能的技术及其薄膜制备方法。通过对Ge-Sb-Te相变材料加入TiN形成化合物，其化学式为（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X（其中0.1＜X＜1），可以提高Ge-Sb-Te相变材料的热学和电学性能。Ge-Sb-Te相变材料结晶温度（~160^oC）、热稳定性和数据保持能力不太理想，一直制约着Ge-Sb-Te在相变存储材料中的应用。TiN材料具有很好的热稳定性，通过两种合金材料的复合，得到一种新材料（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X，这种材料具有比Ge-Sb-Te相变材料更好的电学性能，同时又有更好的热稳定性和数据保持力。

Description

一种提高GeSbTe相变性能的技术及其薄膜制备方法

技术领域

本发明涉及一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，尤其适用于相变存储器的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X薄膜相变材料，属于微电子领域。

背景技术

近年来，随着电子技术的革新，各种通信设备，智能手机，平板电脑等移动设备逐渐普及到人们每天的工作和生活之中。在这种背景的推动下，作为移动设备的关键部件，包括闪存，嵌入式多媒体卡和移动动态随机存取存储器（DRAM）在内的移动存储器已成为存储器市场的增长引擎。但由于摩尔定律的发展限制，制备成本的上升对20nm以下节点的闪存和DRAM大规模量产造成巨大阻碍，开发和应用新型的半导体存储技术已势在必行。在目前研发的新型半导体存储技术中，相变存储技术以其优异性能，最有潜力成为下一代非易失性存储技术。

相变存储器的主要部分是以硫系化合物为基础的相变材料。硫系化合物能够在电脉冲的作用下实现晶态和非晶态的可逆相变，非晶态（高电阻）和晶态（低电阻）的电阻有着明显差异，分别对应逻辑“1”和“0”态，从而实现信息的存储。Ge-Sb-Te合金材料，以其优异的综合性能成功应用于相变存储器中。然而，Ge-Sb-Te材料的结晶温度低和数据保持力差而造成的热稳定性差，一直制约着其在特殊领域的进一步发展。通过寻找一种材料，与Ge-Sb-Te材料复合形成新材料，既能保持Ge-Sb-Te材料优异的综合性能，又能提高其热稳定性就显得尤为重要。

发明内容

为解决上述材料的缺点和不足，本发明采用如下技术方案：

提出一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法。

本发明的另一目的在于，提供一种基于氮化硅和锗-锑-碲合金的相变材料（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X及其制备方法，其中0.1＜X＜1。

本发明还有一目的在于，提供一种高速、低功耗的相变存储器及其制备方法。

较佳的，所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料可以在电脉冲作用下实现可逆相变。

较佳的，所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料中一部分TiN与Ge-Sb-Te的原子形成化学键，形成稳定的结构。

较佳的，所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料中一部分TiN以非晶态的形式把GST材料隔离成纳米尺度区域。

较佳的，所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料中，TiN抑制了Ge-Sb-Te的结晶过程，使其晶粒变小。

较佳的，所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料，结晶温度和数据保持力大幅度提高，热稳定性增强。

较佳的，以所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料为相变层的存储器，相变速度可达纳秒级。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料，弥补了Ge-Sb-Te材料的缺陷，使其结晶温度和数据保持力大大提高，从而提高了其热稳定性。此相变材料在外部电脉冲作用下可实现相变的可逆变化，并且高低电阻值差别大，有明显的区别，便于外部电路分辨出“1”和“0”，是理想的相变材料。

具体实施方式

由本发明所述的一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术获得的相变材料，具有优异的热学和电学性能。

本发明描述的相变材料，制备方法很多。可以用磁控溅射，PLD，电子束蒸发等多种方法制备。其中，磁控溅射法制备薄膜相对比较容易控制其组分。

实施例一

（1）利用TiN靶和Ge₂Sb₂Te₅靶双靶共溅射法，在Si片和SiO片上沉积薄膜。其中，本底真空度优于10^-4Pa，通入的氩气纯度超过99.999%，温度为室温。在以上条件下，制备如下三种薄膜：

TiN 15W GST 5W （TiN）_0.75（Ge₂Sb₂Te₅）_0.25

TiN 15W GST 10W （TiN）_0.61-（Ge₂Sb₂Te₅）_0.39

TiN 15W GST 15W （TiN）_0.52-（Ge₂Sb₂Te₅）_0.48

（2）把长在SiO片上的薄膜，做原位电阻测试。随着TiN含量的增加，（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X的结晶温度逐渐提高，十年数据保持温度可以达到180^oC以上，说明（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X材料的热稳定性相比Ge₂Sb₂Te₅已经大大提高。

（3）把得到的（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X材料薄膜，在氮气保护下退火3 min，进行XRD测试。在相同温度下，（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X材料的峰位比Ge₂Sb₂Te₅材料的衍射峰位要弱很多。说明TiN的加入，使Ge₂Sb₂Te₅结晶过程受到抑制。

以下对所述相变存储器的制作方法做进一步描述：

1、在清洗好的氧化硅片上，制作下电极。

2、在上述下电极沉积氧化物（如 SiO₂）。

3、氧化物中刻出直径为 50-200nm左右的小孔用于TiN电极的填充。

4、用CVD法沉积TiN电极，填充小孔。

5、在上述基础上，沉积（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X相变材料层。

6、对（TiN）_1-X-（Ge₂Sb₂Te₅）_X相变材料进行刻蚀。

7、制作上电极。

实施例二

与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，Ge₂Sb₂Te₅相变材料改为为Ge₄Sb₂Te₅相变材料，相变材料层的制备方法为磁控溅射，通过磁控溅射TiN靶和Ge₄Sb₂Te₅靶获得（TiN）_1-X-（Ge₄Sb₂Te₅）_X材料薄膜，其余步骤与实施例一完全相同，可达到更好的技术效果。

实施例三

与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料层的制备方法改为电子束蒸发制备，电子束蒸发源为TiN和Ge-Sb-Te块体或粉体材料，其余步骤与实施例一完全相同，亦可达到相同的技术效果。

实施例四

与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料层的制备方法改为CVD的方法制备，其余步骤与实施例一完全相同，亦可达到类似的技术效果。

实施例五

与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于，（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料层的制备方法改为溶胶-凝胶方法制备，其余步骤与实施例一完全相同，亦可达到类似的技术效果，但是制造成本大大降低。

综上所述，本发明所述的（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X相变材料可以在电脉冲等作用下实现可逆相变，相比于纯Ge-Sb-Te材料而言，（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X材料的结晶温度和数据保持力大大提高，热稳定性更强。加入的TiN一部分与Ge-Sb-Te的原子形成化学键，形成稳定的结构；一部分TiN以非晶态的形式存在，使Ge-Sb-Te材料的结晶受到抑制，所形成的晶粒尺寸更小。同时，（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X材料保留了Ge-Sb-Te的性能，相变速度可以达到纳秒级别，相变功耗低，是一种很好的相变材料。由该种技术制备出的相变材料薄膜与TiN电极的黏附力大大增强，界面力学和电学等特性得到大大改善，从而提高器件的可靠性。（TiN）_1-X-（Ge-Sb-Te）_X与标准的半导体工艺兼容，可实现批量生产，基于（TiN）_1-X -（Ge-Sb-Te）_X制作的相变存储器，其擦写速度更快，晶态与非晶态电阻比更大，功耗更低，可满足高速、低功耗存储的需要。

Claims

1.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征为：在Ge-Sb-Te相变材料中加入TiN后，形成由Ge-Sb-Te与TiN组成的化合物形式的相变材料，可以实现比纯Ge-Sb-Te相变材料更好的性能。

2.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征为： Ge-Sb-Te与TiN化合物形式的相变材料的组成通式为（TiN）_1-X -（Ge-Sb-Te）_X，其中0.1＜x＜1；而且TiN的组分不受限制，Ti和N的原子比不仅仅是1：1。

3.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：与纯Ge-Sb-Te相比，该相变材料具有更高的结晶温度和更好的数据保持力，其热稳定性得到极大改善。

4.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：由该种技术制备出的相变材料薄膜与TiN电极的黏附力大大增强，界面力学和电学等特性得到大大改善，从而提高器件的可靠性。

5.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：一部分TiN与Ge-Sb-Te的原子形成化学键，形成稳定的结构；一部分TiN以非晶态的形式存在，从而抑制Ge-Sb-Te材料的结晶过程，提高热稳定性，同时使晶粒变小。

6.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：Ge-Sb-Te和TiN的制备方法不受限制，不仅可以采用溅射的方法制备，也可以采用脉冲激光沉积、电子束蒸发、热蒸发、化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、溶胶-凝胶法、水热法等方法制备。

7.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：激发（TiN）_1-X -（Ge-Sb-Te）_X可逆相变的外部能量，可以为电脉冲驱动，热驱动，电子束驱动或激光脉冲驱动。

8.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：所述的Ge-Sb-Te相变材料的组分不受限制，可以是Ge-Sb-Te相变材料，也可以是Ge₁Sb₂Te₄相变材料或者Ge₁Sb₄Te₇相变材料，等等，TiN加入到不同的组分的Ge-Sb-Te相变材料中均可以得到很好的电学和热学特性。

9.一种提高Ge-Sb-Te相变材料性能的技术及其薄膜制备方法，其特征在于：（TiN）_1-X -（Ge-Sb-Te）_X与标准的半导体工艺兼容，可实现批量生产，此外，基于（TiN）_1-X -（Ge-Sb-Te）_X制作的相变存储器，其擦写速度更快，晶态与非晶态电阻比更大，功耗更低，可满足高速、低功耗存储的需要。