CN108899417A - Ta-Sb-Te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Ta‑Sb‑Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Ta‑Sb‑Te相变材料包括钽、锑、碲三种元素，所述Ta‑Sb‑Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。该相变材料可通过磁控溅射的方法进行制备，通过调节溅射靶材的电流功率来调节Ta‑Sb‑Te系列体系中的三种元素的含量，得到具有不同结晶温度、熔点和结晶激活能的存储材料。本发明所述的Ta‑Sb‑Te相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更好的热稳定性，更强的数据保持力以及更快的结晶速度；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；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。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种Ta-Sb-Te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，它具有非易失性、元件尺寸小、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，相变存储器被认为最有可能取代目前当今主流产品而成为未来存储器的主流产品，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，因而在民用市场上拥有广阔的市场前景。
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。即在非晶态时相变材料表现出较高的电阻值，而在晶态时则表现出低的电阻值。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，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。本发明的Ta-Sb-Te相变薄膜材料具有数据保持能力强、相变速度快等特点。
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Ta-Sb-Te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。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种Ta-Sb-Te相变材料，所述Ta-Sb-Te相变材料包括钽、锑、碲三种元素，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。
作为本发明Ta-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez中，x＝3～15、y＝57～65、z＝28～33。
作为本发明Ta-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Ta-Sb-Te相变材料的十年数据保持力大于94℃，并在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
作为本发明Ta-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Ta-Sb-Te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Ta-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Ta-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，所述Ta-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm～200nm之间。
本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括上述任一方案所述的Ta-Sb-Te相变材料。
本发明另外再提供一种相变存储器单元的制备方法，所述制备方法至少包括：
1)制备下电极层；
2)在所述下电极层上制备上述Ta-Sb-Te相变材料；
3)在所述相变材料上制备上电极层。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，步骤2)中，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或者电子束蒸镀法制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，按照所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez，采用Ta单质靶、Sb2Te合金靶共溅射制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，所述Ta单质靶的溅射采用射频电源，所述Sb2Te合金靶的溅射采用直流电源，所述Ta单质靶的溅射功率介于20W～40W之间，所述Sb2Te合金靶的溅射功率为20W，本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射温度包含室温，溅射时间介于10分钟～30分钟之间。
如上所述，本发明的Ta-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明所提供的Ta-Sb-Te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。因而该Ta-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,Ta3.8Sb64.1Te32.1具有较好的数据保持力，将其应用于相变存储器中器件单元具有极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Ta-Sb-Te相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更高的热稳定性，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，便于精确控制材料的成分。
附图说明
图1为本发明提供的不同组分的Ta-Sb-Te相变材料的电阻-温度关系图。
图2为本发明提供的不同组分的Ta-Sb-Te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Ta3.8Sb64.1Te32.1相变存储器单元的电阻-电压关系图。
图4显示为本发明提供的组分为Ta3.8Sb64.1Te32.1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。
请参阅附图。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。
实施例一
本发明提供一种Ta-Sb-Te相变材料，所述Ta-Sb-Te相变材料包括钽、锑、碲三种元素，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。
作为示例，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez中，x＝3～15、y＝57～65、z＝28～33。更优选地，x＝3.8、y＝64.1、z＝32.1，即相变材料的化学式为Ta3.8Sb64.1Te32.1。
作为示例，所述Ta-Sb-Te相变材料的十年数据保持力大于94℃，并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Ta-Sb-Te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Ta-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，所述Ta-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm～200nm之间。例如，所述Ta-Sb-Te相变材料的厚度可以是50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、150nm、180nm、200nm等等。本实施例中，所述Ta-Sb-Te相变材料的厚度为60nm。
图1为不同组分的所述Ta-Sb-Te相变材料的电阻-温度关系图，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式分别为：Ta3.8Sb64.1Te32.1,Ta11.2Sb59.2Te29.6,Ta14.3Sb57.1Te28.6。从图1可以看出，Ta-Sb-Te相变材料的结晶温度可以调节在180℃～210℃之间，较Ge2Sb2Te5(约150℃)有明显的提高。Ta-Sb-Te的高阻随着钽含量的增大而增大，其结晶温度随着钽含量的增大而增大。因此可以通过调节钽的含量来控制Ta-Sb-Te相变材料的结晶温度。
图2所示，相变存储材料Ta-Sb-Te相变材料的数据保持能力计算结果图，所述的Ta-Sb-Te相变材料的化学式分别为：Ta3.8Sb64.1Te32.1,Ta11.2Sb59.2Te29.6,Ta14.3Sb57.1Te28.6。由图2可以看出，Ta-Sb-Te的10年数据保持温度随着钽含量的增加而增加。同时，可以看出，Ta-Sb-Te材料体系的10年数据保持力相比Ge2Sb2Te5有了一定的提高。因此，Ta-Sb-Te材料体系的热稳定性和数据保持力可以调节钽含量来进行优化。
实施例二
本实施例提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括实施例一提供的所述Ta-Sb-Te相变材料，即所述Ta-Sb-Te相变材料包括钽、锑和碲三种元素，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。
作为示例，所述上电极层上还形成有引出电极，通过所述引出电极可以把所述上电极层、所述下电极层与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成。
图3为组分Ta3.8Sb64.1Te32.1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100纳秒、80纳秒、50纳秒、20纳秒、10纳秒和6纳秒。值得注意的是，Ta-Sb-Te材料制成的存储单元器件可在短至6纳秒的电脉冲下实现“擦写”操作，单元器件的“擦”与“写”的操作电压分别为2.2V和4.5V。如图4所示，该器件反复擦写次数达到2.3×106，高低阻态具有较稳定的阻值，保证了器件应用所需的可靠性。
实施例三
本发明还提供一种Ta-Sb-Te相变存储器单元的制备方法，可以制备实施例二中的相变存储器单元，所述制备方法至少包括：
1)制备下电极层；
2)在所述下电极层上制备如实施例一中所述的Ta-Sb-Te相变材料；
3)在所述相变材料上制备上电极层。
作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等等来制备所述下电极层。所述下电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。在本实施例中，所述下电极层的材料优选为W。
作为示例，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等工艺来制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
进一步地，按照所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez，采用Ta单质靶、Sb2Te合金靶共溅射制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
更进一步地，所述Ta单质靶的溅射采用射频电源，所述Sb2Te合金靶的溅射采用直流电源，所述Ta单质靶的溅射功率介于20W～40W之间，所述Sb2Te合金靶的溅射功率为20W，所溅射时间介于10分钟～30分钟之间。本实施例中，选择所述Ta单质靶的功率为20W，所述Sb2Te合金靶的功率为20W，所溅射时间为20分钟。
更进一步地，采用Ta单质靶、Sb2Te合金靶共溅射过程中的工艺参数包括：本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射温度包含室温。
所述相变材料层制备于所述下电极层上，所述相变材料层包括组分通式为TaxSbyTez的相变材料，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。
所述x、y、z可进一步缩小为：x＝3～15、y＝57～65、z＝28～33。本实施例中，x＝3.8，y＝64.1，z＝32.1，即，所述相变材料优选为Ta3.8Sb64.1Te32.1。所述相变材料TaxSbyTez具有更高的热稳定性，更强的数据保持力，更快的结晶速度等优势。
作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法制备所述上电极层。所述上电极层的材料包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一种，或由所述单金属材料任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。在本实施例中，所述上电极层的材料优选为TiN。
作为示例，所述制备方法还包括在所述上电极层上形成引出电极的步骤，所述引出电极的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中任一种，或其任意两种或多种组合成的合金材料。在本实施例中，所述引出电极的材料优选为Al。
综上所述，本发明提供一种Ta-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Ta-Sb-Te相变材料包括钽、锑、碲三种元素，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。本发明所提供的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。其中Ta3.8Sb64.1Te32.1具有较高的数据保持力，将其应用于相变存储器中器件单元具有极快的操作速度和较好的循环次数，并且在电压脉冲作用下实现可逆相变，且电学性能稳定，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Ta-Sb-Te相变薄膜材料，与传统的Ge2Sb2Te5相比，具有更高的热稳定性，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，便于精确控制材料的成分和后续工艺。
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 (10)
1.一种Ta-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述Ta-Sb-Te相变材料包括钽、锑、碲三种元素，所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式为TaxSbyTez，其中，3≤x≤15，50≤y≤70，25≤z≤35，且x+y+z＝100。
2.根据权利要求1所述的Ta-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez中，x＝3～15、y＝57～65、z＝28～33。
3.根据权利要求1所述的Ta-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Ta-Sb-Te相变材料的十年数据保持力大于94℃，并在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
4.根据权利要求1所述的Ta-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Ta-Sb-Te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。
5.根据权利要求1所述的Ta-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Ta-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，所述Ta-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm～200nm之间。
6.一种相变存储器单元，其特征在于，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括如权利要求1～5任一项所述的Ta-Sb-Te相变材料。
7.一种相变存储器单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
1)制备下电极层；
2)在所述下电极层上制备如权利要求1～5任一项所述的Ta-Sb-Te相变材料；
3)在所述相变材料上制备上电极层。
8.根据权利要求7所述的相变存储器单元的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或者电子束蒸镀法制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
9.根据权利要求8所述的变存储器单元的制备方法，其特征在于：按照所述Ta-Sb-Te相变材料的化学式TaxSbyTez，采用Ta单质靶、Sb2Te合金靶共溅射制备所述Ta-Sb-Te相变材料。
10.根据权利要求9所述的变存储器单元的制备方法，其特征在于：所述Ta单质靶的溅射采用射频电源，所述Sb2Te合金靶的溅射采用直流电源，所述Ta单质靶的溅射功率介于20W～40W之间，所述Sb2Te合金靶的溅射功率为20W，本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射温度包含室温，溅射时间介于10分钟～30分钟之间。
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