CN106299113A - Ge‑Sb‑Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Ge‑Sb‑Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法，Ge‑Sb‑Se相变材料为包括锗、锑、硒三种元素的相变材料，Ge‑Sb‑Se相变材料的化学式为GexSbySez，其中，20≤x≤50，30≤y≤70，5≤z≤25，且x+y+z=100。本发明提供的Ge‑Sb‑Se系列相变材料可以通过调节三种元素的含量得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，且该体系相变材料相变前后电阻差值大，具有非常强的可调性，从而根据实际所需提供特定的性能。本发明所述的Ge‑Sb‑Se相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更好的热稳定性，更强的数据保持力，更快的结晶速度；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。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电子技术领域的Ge-Sb-Se相变材料及其制备方法，特别是涉及一种Ge-Sb-Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法。
背景技术
相变存储器(PCM)是近年来技术发展迅速的一种非挥发性半导体存储器。与传统的存储器相比，它具有尺寸微缩性强、读写速度快、功耗低、循环寿命长及抗辐照性能优异等优点。因此，相变存储器成为各类新型存储技术中有力的竞争者，极其有望替代闪存(Flash技术)成为下一代非挥发存储器的主流存储技术，因而拥有广阔的市场前景。同时，其在普通存储器达不到的一些领域可产生新的应用，如空间、航天技术和军事领域。
相变存储器的应用基于其中的相变材料在电脉冲信号操作下高、低电阻之间的可逆转换来实现“0”和“1”的存储。相变存储器的核心是相变存储介质材料。传统的相变材料主要是Ge2Sb2Te5，其已经广泛应用于相变光盘和相变存储器中。但是依然存在一些问题：1)结晶温度较低，热稳定性不好，数据保持力得不到保证，面临着数据丢失的危险。例如在汽车电子领域，对存储器件可服役的温度要求高于125℃，而Ge2Sb2Te5能够提供的10年可靠数据保存的工作温度仅为80℃左右。2)相变速度有待进一步提高，有研究表明基于Ge2Sb2Te5的相变存储器实现稳定RESET操作的电脉冲至少为百纳秒量级，无法满足动态随机存储器的速度要求。因此寻求一种高速、高数据保持力的相变薄膜材料使其具有宽温域工作范围是当前急需解决的问题。
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Ge-Sb-Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法，用于解决现有技术中Ge2Sb2Te5相变材料存在的结晶温度较低，热稳定性不好，数据保持力得不到保证，面临着数据丢失的问题及相变速度低，无法满足动态随机存储器速度要求的问题。
为了实现上述目的及其他相关目标，本发明提供一种Ge-Sb-Se相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料为包括锗、锑、硒三种元素的相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为GexSbySez，其中20≤x≤50，30≤y≤70，5≤z≤25，且x+y+z＝100。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的一种优选方案，所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝24、y＝65、z＝11。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的一种优选方案，所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的一种优选方案，所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的一种优选方案，所述Ge-Sb-Se相变材料为相变薄膜材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的厚度为50nm～200nm。
本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元包括上述任一方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料。
本发明还提供一种如上述任一种方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、电子束蒸镀法制备如上述任一方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法的一种优选方案，按照所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式GexSbySez采用Sb单质靶、Ge单质靶及Ge2Se3合金靶共溅射制备所述Ge-Sb-Se相变材料。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法的一种优选方案，所述Sb单质靶采用直流电源，所述直流电源的溅射功率为7W～20W。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的一种优选方案，所述Ge单质靶采用直流电源，所述直流电源的溅射功率为20W。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法的一种优选方案，所述Ge2Se3合金靶采用射频电源，所述射频电源的溅射功率为50W。
作为本发明的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法的一种优选方案，采用所述Sb单质靶、所述Ge单质靶及所述Ge2Se3合金靶共溅射过程中，本底真空度小于2.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射压强为0.40Pa～0.45Pa，溅射温度为室温，溅射时间为10分钟～30分钟。
本发明的Ge-Sb-Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法具有如下有益效果：
本发明所提供的Ge-Sb-Se系列相变材料可以通过调节三种元素的含量得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，且该体系相变材料相变前后电阻差值大，具有非常强的可调性，从而根据实际所需提供特定的性能。其中，Ge24Sb65Se11具有超高的数据保持力，将其应用于相变存储器中器件单元具有较快的操作速度和较好的循环次数，可见其是用于制备相变存储器的合适存储介质材料；因此，本发明所述的Ge-Sb-Se相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更好的热稳定性，更强的数据保持力，更快的结晶速度；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。
附图说明
图1显示为本发明提供的不同组分的Ge-Sb-Se相变材料的电阻-温度关系图。
图2显示为本发明提供的不同组分的Ge-Sb-Se相变材料的数据保持能力计算结果图。
图3显示为本发明提供的组分为Ge24Sb65Se11相变存储器单元的电流-电压关系图。
图4显示为本发明提供的组分为Ge24Sb65Se11相变存储器单元的电阻-电压关系图。
图5显示为本发明提供的组分为Ge24Sb65Se11相变存储器单元的疲劳性能图。
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，虽图示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。
本发明提供一种Ge-Sb-Se相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料为包括锗、锑、硒三种元素的相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为GexSbySez，其中，20≤x≤50，30≤y≤70，5≤z≤25，且x+y+z＝100。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝24、y＝65、z＝11，即所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为Ge24Sb65Se11。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝30、y＝57、z＝13，即所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为Ge30Sb57Se13。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝39、y＝44、z＝17，即所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为Ge39Sb44Se17。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝47、y＝32、z＝21，即所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为Ge47Sb32Se21。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
作为示例，所述Ge-Sb-Se相变材料为相变薄膜材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的厚度为50nm～200nm。
本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元包括上述任一种方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料。
本发明还提供一种用于制备上述任一方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法，具体的，可以采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或电子束蒸镀法制备如上述任一方案中所述的Ge-Sb-Se相变材料。
作为示例，按照所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式GexSbySez采用Sb单质靶、Ge单质靶及Ge2Se3合金靶共溅射制备所述Ge-Sb-Se相变材料。
作为示例，所述Sb单质靶采用直流电源，所述直流电源的溅射功率为7W～20W。
作为示例，所述Ge单质靶采用直流电源，所述直流电源的溅射功率为20W。
作为示例，所述Ge2Se3合金靶采用射频电源，所述射频电源的溅射功率为50W。
作为示例，进一步的，采用所述Sb单质靶、所述Ge单质靶及所述Ge2Se3合金靶共溅射过程中的工艺参数包括：本底真空度小于2.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射压强为0.40Pa～0.45Pa，溅射温度为室温，溅射时间为10分钟～30分钟，沉积得到的所述Ge-Sb-Se相变材料薄膜的厚度为50nm～200nm。
图1为不同组分的所述的Ge-Sb-Se相变材料的电阻-温度关系图，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式分别为：Ge24Sb65Se11、Ge30Sb57Se13、Ge39Sb44Se17、Ge47Sb32Se21。从图1中可以看出，Ge-Sb-Se相变材料的结晶温度可以调节在325℃～415℃之间，较Ge2Sb2Te5(约150℃)有显著的提高。Ge-Sb-Se相变存储材料的高低阻值随着锑含量的减小而增加，其结晶温度随着锑含量的降低而增大。因此可以通过调节锑的含量来控制Ge-Sb-Se相变材料的结晶温度。
图2为不同组分的Ge-Sb-Se相变材料的数据保持能力计算结果图，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式分别为：Ge24Sb65Se11、Ge30Sb57Se13、Ge39Sb44Se17。由图2可以看出，Ge-Sb-Se相变材料的10年数据保持温度随着锑含量的减少而增加。同时，可以看出Ge-Sb-Se材料体系的10年数据保持力相比Ge2Sb2Te5有很大的提高。其中，锑含量为44％时Ge-Sb-Se的数据保持力高达310℃。因此，Ge-Sb-Se材料体系的热稳定性和数据保持力可以通过调节锑的含量来进行优化。
将所述Ge-Sb-Se相变材料制备成相变存储器单元器件，经测试得到该相变存储器的电流-电压关系，如图3所示，其中，单元1、单元2及单元3均为组分为：Ge24Sb65Se11的相变存储器单元器件。由于初始制备的Ge-Sb-Se薄膜为高阻值的非晶态，当直流加载时，器件出现了SET过程的阈值电压。不同单元的电流-电压扫描测试结果展现出较好的一致性，表明该体系材料在器件应用中具有可靠的稳定性。
图4为组分为Ge24Sb65Se11的相变存储器单元器件的电阻-电压曲线。在电脉冲作用下，所述相变存储器实现可逆相变。测试所用的电压脉冲为500纳秒、400纳秒、300纳秒、200纳秒、100纳秒、80纳秒和60纳秒。在500纳秒的电脉冲下，可以得到相变存储器分别在2.1V和3.3V实现“擦”(高阻变低阻)和“写”(低阻变高阻)操作。值得注意的是，Ge-Sb-Se材料制备成的存储单元器件可在短至60纳秒的电脉冲下实现“擦写”操作，该操作速度远快于Ge2Sb2Te5材料百纳秒量级的操作速度。在60纳秒的电脉冲下，单元器件的“擦”与“写”的操作电压分别为2.3V和4.3V。如图5所示，该器件无疲劳地反复擦写次数达到1.4×104次，高低阻态均具有较稳定的阻值，保证了器件应用所需的可靠性。
综上所述，本发明提供一种Ge-Sb-Se相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Ge-Sb-Se相变材料为包括锗、锑、硒三种元素的相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为GexSbySez，其中，20≤x≤50，30≤y≤70，5≤z≤25，且x+y+z＝100。本发明所提供的Ge-Sb-Se系列相变材料可以通过调节三种元素的含量得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，且该体系相变材料相变前后电阻差值大，具有非常强的可调性，从而根据实际所需提供特定的性能。其中，Ge24Sb65Se11具有超高的数据保持力，将其应用于相变存储器中器件单元具有较快的操作速度和较好的循环次数，可见其是用于制备相变存储器的合适存储介质材料；因此，本发明所述的Ge-Sb-Se相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更好的热稳定性，更强的数据保持力，更快的结晶速度；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。
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 (9)
1.一种Ge-Sb-Se相变材料，其特征在于，所述Ge-Sb-Se相变材料为包括锗、锑、硒三种元素的相变材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式为GexSbySez，其中，20≤x≤50，30≤y≤70，5≤z≤25，且x+y+z＝100。
2.根据权利要求1所述的Ge-Sb-Se相变材料，其特征在于：所述Ge-Sb-Se相变材料中，x＝24、y＝65、z＝11。
3.根据权利要求1所述的Ge-Sb-Se相变材料，其特征在于：所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
4.根据权利要求1所述的Ge-Sb-Se相变材料，其特征在于：所述Ge-Sb-Se相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
5.根据权利要求1所述的Ge-Sb-Se相变材料，其特征在于：所述Ge-Sb-Se相变材料为相变薄膜材料，所述Ge-Sb-Se相变材料的厚度为50nm～200nm。
6.一种相变存储器单元，其特征在于，所述相变存储器单元包括如权利要求1至5中任一项所述的Ge-Sb-Se相变材料。
7.一种如权利要求1至5中任一项所述的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、电子束蒸镀法制备如权利要求1至5中任一项所述的Ge-Sb-Se相变材料。
8.根据权利要求7所述的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法，其特征在于：按照所述Ge-Sb-Se相变材料的化学式GexSbySez采用Sb单质靶、Ge单质靶及Ge2Se3合金靶共溅射制备所述Ge-Sb-Se相变材料。
9.根据权利要求8所述的Ge-Sb-Se相变材料的制备方法，其特征在于：采用所述Sb单质靶、所述Ge单质靶及所述Ge2Se3合金靶共溅射过程中，本底真空度小于2.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射压强为0.40Pa～0.45Pa，溅射温度为室温，溅射时间为10分钟～30分钟。
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