CN110098322A - C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料、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C掺杂Sc‑Sb‑Te相变存储材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Sc‑Sb‑Te相变存储材料为Sc‑Sb2Te3相变存储材料，所述C掺杂Sc‑Sb‑Te相变存储材料中，C的原子百分比为1%~40%。本发明通过对Sc‑Sb2Te3进行C掺杂，由于C是一种低热导的材料，可以很好的防止热扩散，且C的良好导电性保证了材料良好的导通，本发明的C掺杂Sc‑Sb2Te3相变材料在外部能量的作用下，能够实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，高低阻态的阻值比可达两个数量级；其作为相变存储器的存储介质时，相变存储单元不仅具有相变速度快、写操作电流低等优点，而且器件的高温数据保持力及可靠性有了极大的提高；采用本发明相变存储器单元结构的相变存储器具有高速、低功耗、良好数据保持力等优越性。
Description
技术领域
本发明涉及相变存储技术领域，特别是涉及一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料、相变存储器单元及其制备方法。
背景技术
随着计算机的普及和大数据时代的到来，存储器在半导体市场占据了重要地位。存储器需要向更高集成度，更高速度发展。内存和硬盘之前的速度差异这一巨大鸿沟，限制了当前计算机向超快速度发展。为了应对存储器发展的瓶颈，各种新型存储材料应运而生。相变存储器(PCRAM)是一种非常有潜力的新型非易失存储材料，通过对硫系半导体化合物施加不同脉宽和强度的电脉冲，使之实现晶态与非晶态之间的可逆相变，利用材料在低电阻的晶态和高电阻的非晶态的电阻差异来实现数据的存储。
存储器的研究一直稳步朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。但是以Ge2Sb2Te5为主的相变材料的速度都在百纳秒量级，无法满足替换DRAM的要求。最近，基于Sc-Sb2Te3的相变存储器由于700皮秒的操作速度以及107的循环寿命，使得替换DRAM成为可能。由于可逆操作在非晶态和亚稳态立方结构进行的，而不经过稳定的立方态，因而是具有低功耗的特点。
但是，Sc-Sb2Te3自身存在着一些缺陷，如面心立方相的结晶温度不高、Sc易氧化等问题，从而使得Sc-Sb2Te3相变存储材料存在相变速率慢、功耗较高等问题。
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C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料、相变存储器单元及其制备方法，用于解决现有中的Sc-Sb2Te3相变存储材料存在的面心立方相的结晶温度不高，Sc易氧化而导致的相变速率慢及功耗较高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，所述Sc-Sb-Te相变存储材料为Sc-Sb2Te3相变存储材料，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为1％～40％。
优选地，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为5％～15％。
优选地，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为1％～10％。
优选地，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为3％～5％。
优选地，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C与Sc成键结合后共同构成所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的成核中心。
优选地，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料在外部能量的作用下可实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，且高电阻态与低电阻态的阻值比不小于两个数量级。
本发明还提供一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法制备如上述任一方案中所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
优选地，在氩气气氛下，采用Sb2Te3合金靶、Sc单质靶及C单质靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
优选地，在氩气气氛下，采用Sc-Sb2Te3合金靶及C靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
优选地，所述Sc-Sb2Te3合金靶及所述C靶均采用射频电源，在共溅射的过程中，通过调节所述射频电源的射频功率调节所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C的原子百分比。
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：
如上述任一方案中所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料构成的相变材料层；
下电极层，位于所述相变材料层的下表面；
上电极层，位于所述相变材料层的上表面。
如上所述，本发明的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料、相变存储器单元及其制备方法，具有以下有益效果：本发明通过对Sc-Sb2Te3进行C掺杂，由于C是一种低热导的材料，可以很好的防止热扩散，且C的良好导电性保证了材料良好的导通，本发明的C掺杂Sc-Sb2Te3相变材料中，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，高低阻态的阻值比可达两个数量级；其作为相变存储器的存储介质时，相变存储单元不仅具有相变速度快、写操作电流低等优点，而且器件的高温数据保持力及可靠性有了极大的提高；采用本发明相变存储器单元结构的相变存储器具有高速、低功耗、良好数据保持力等优越性。
附图说明
图1显示为本发明提供的相变存储器单元的结构示意图。
图2显示为本发明提供的不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的电阻-温度(RT)关系图。
图3显示为本发明提供的不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的十年数据保持能力计算结果图。
图4显示为本发明提供的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C的原子百分比为10％时与未掺杂C的Sc-Sb2Te3相变存储材料的TEM明场对比图；其中，a为未掺杂C的Sc-Sb2Te3相变存储材料的TEM明场图，b为10％C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的TEM明场图。
图5～图7显示为本发明提供的包含有不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的相变存储器单元的电阻-电压(RV)关系图；其中，图5为包含有C5％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图，图6为包含有C10％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图，图7为包含有C20％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图。
图8显示为本发明提供的相变存储器单元中的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C掺杂的原子百分比为10％的疲劳特性曲线。
元件标号说明
10 相变材料层
20 下电极层
30 上电极层
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2～图8。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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种C(碳)掺杂Sc(钪)-Sb(锑)-Te(碲)相变存储材料，所述Sc-Sb-Te相变存储材料为Sc-Sb2Te3相变存储材料，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为1％～40％。
作为示例，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为5％～15％；优选地，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为10％。
作为示例，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为1％～10％，优选地，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为3％～5％，更为优选地，本实施例中，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，所述Sc-Sb2Te3的化学式为Sc0.2Sb2Te3。
作为示例，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C与Sc成键结合后共同构成所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的成核中心，在所述Sc-Sb2Te3中掺杂C之后，C会与Sc成键，破坏Sc为中心的有序结构，形成更多的以Sc-C为中心的成核中心，成核中心的增多使得晶粒细化，从而可以提高相变材料与衬底等其他材料层的粘附力，加快了结晶速度。C进入所述Sc-Sb2Te3的晶格后形成的Sc-C很稳定，在提高面心立方Sc-Sb2Te3的晶化温度的同时，避免Sc氧化的问题。同时，在所述Sc-Sb2Te3中掺C后提高了晶态的电阻，从而起到降低功耗的作用。此外，C是一种低热导的材料，可以很好的防止热扩散，且C的良好导电性保证了材料良好的导通。
作为示例，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料在外部能量的作用下可实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，且高电阻态与低电阻态的阻值比不小于两个数量级。
本发明还提供一种如上所述的一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，具体的，用溅射法(譬如，磁控溅射法)、蒸发法(譬如，电子束蒸发法)、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法、脉冲激光沉积法或原子层沉积法制备如上所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
在一示例中，可以在氩气气氛下，采用Sb2Te3合金靶、Sc单质靶及C单质靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料；其中，Sc单质靶及C单质靶放交流射频靶位，Sb2Te3合金靶方直流位。
在另一示例中，还可以在氩气气氛下，采用Sc-Sb2Te3合金靶及C靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
作为示例，在上述示例中，所述Sc-Sb2Te3合金靶及所述C靶均采用射频电源，在共溅射的过程中，通过调节所述射频电源的射频功率调节所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C的原子百分比。
作为示例，所述氩气的纯度可以为但不仅限于99.999％。
请参阅图1，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：如上述任一方案中所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料构成的相变材料层10；下电极层20，所述下电极层20位于所述相变材料层10的下表面；上电极层30，所述上电极30位于所述相变材料层10的上表面。
作为示例，所述相变材料层10的厚度可以从几纳米至几百纳米，优选地，本实施例中，所述相变材料层10的厚度可以为但不仅限于50nm～120nm。
作为示例，所述下电极层20的材料可以包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的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。
作为示例，所述上电极层30的材料可以包括：单金属材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的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。
作为示例，所述上电极层30上方还包括引出电极(未示出)，所述引出电极与所述上电极层30及所述下电极层20电连接，用于将所述上电极层30及所述下电极层20与所述相变存储器单元的控制开关(未示出)、驱动电路(未示出)及外围电路(未示出)集成在一起。
本发明还提供一种相变存储器单元的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
形成下电极层20，所述下电极层20可以形成于任意衬底上；
于所述下电极层20的上表面形成由上述任一方案中所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料构成的相变材料层10；
于所述相变材料层10的上表面形成上电极层30。
作为示例，于所述相变材料层10的上表面形成上电极层30之后，还包括于所述上电极层30上形成引出电极，所述引出电极与所述上电极层30及所述下电极层20电连接，用于将所述上电极层30及所述下电极层20与所述相变存储器单元的控制开关(未示出)、驱动电路(未示出)及外围电路(未示出)集成在一起。
作为示例，所述下电极层20、所述上电极层30及所述引出电极均可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中的任意一种制备而得到。
图2为不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的电阻-温度(RT)关系图，图2中分别示意出Sc0.2Sb2Te3、C5％-Sc0.2Sb2Te3、C10％-Sc0.2Sb2Te3及C20％-Sc0.2Sb2Te3的电阻-温度关系图，由图2可知，沉积态的掺C后的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料(CSST)的电阻很高，随着温度升高其电阻降低，呈现半导体特性，当温度升高到170℃左右时，会出现一个较大的电阻下降趋势，说明此处C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料已经发生了向面心立方相的转变，在280℃左右出现面心立方向稳定相六方相的转变；相比于Sc0.2Sb2Te3(SST)，本发明的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的相变温度有明显升高，说明掺入C后，C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的热稳定性有所增加。
图3为不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的十年数据保持能力计算结果图，图3中分别示意出Sc0.2Sb2Te3、C5％-Sc0.2Sb2Te3、C10％-Sc0.2Sb2Te3及C20％-Sc0.2Sb2Te3的电阻-温度关系图，由图3可知，在未掺杂C时，Sc0.2Sb2Te3的激活能仅为2.38eV，十年数据保持力为87℃；而在掺C之后，C的原子百分比为5％时(即图3中C5％-Sc0.2Sb2Te3的曲线)，C5％-Sc0.2Sb2Te3的激活能增加至2.45eV，十年数据保持力提升至95℃；C的原子百分比为10％时(即图3中C10％-Sc0.2Sb2Te3的曲线)，C10％-Sc0.2Sb2Te3的激活能增加至2.60eV，十年数据保持力提升至100℃；C的原子百分比为20％时(即图3中C20％-Sc0.2Sb2Te3的曲线)，C20％-Sc0.2Sb2Te3的激活能增加至2.73eV，十年数据保持力提升至108℃。
图4显示为本发明的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C的原子百分比为10％时与未掺杂C的Sc-Sb2Te3相变存储材料的TEM明场对比图；其中，a为未掺杂C的Sc-Sb2Te3相变存储材料(Sc0.2Sb2Te3)的TEM明场图，b为10％C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的TEM明场图。由图4可知，所述Sc-Sb2Te3掺C后，相变材料的晶粒更加细化，可以形成更多的晶粒。
图5～图7显示为本发明提供的包含有不同C掺杂含量的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的相变存储器单元的电阻-电压(RV)关系图；其中，图5为包含有C5％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图，图6为包含有C10％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图，图7为包含有C20％-Sc0.2Sb2Te3的相变存储器单元的电阻-电压关系图。由图5可知，当掺杂的C的原子百分比为5％时(即所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料为C5％-Sc0.2Sb2Te3时)，所述相变存储器单元的RV窗口可以达到100ns，所述相变存储器单元100ns时的reset电压接近5V；由图6可知，当掺杂的C的原子百分比为10％时(即所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料为C10％-Sc0.2Sb2Te3时)，所述相变存储器单元的RV窗口可以达到20ns，所述相变存储器单元100ns时的reset电压接近4V；由图7可知，当掺杂的C的原子百分比为20％时(即所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料为C20％-Sc0.2Sb2Te3时)，所述相变存储器单元的RV窗口仅能达到200ns。由上可知，所述C10％-Sc0.2Sb2Te3的RV窗口远远小于所述C5％-Sc0.2Sb2Te3的RV窗口及所述C20％-Sc0.2Sb2Te3的RV窗口，且同时，在相同的RV窗口下，所述C10％-Sc0.2Sb2Te3的reset电压明显小于所述C5％-Sc0.2Sb2Te3的reset电压，即所述C10％-Sc0.2Sb2Te3相较于所述C5％-Sc0.2Sb2Te3及所述C20％-Sc0.2Sb2Te3具有更快的速率，且具有更低的功耗。因此，本实施例中，C掺杂的原子百分比为10％时为最佳掺杂量。
图8显示为本发明提供的相变存储器单元中的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C掺杂的原子百分比为10％的疲劳特性曲线(即C10％-Sc0.2Sb2Te3)的疲劳特性曲线)，由图8可知，所述相变存储器单元的无疲劳反复擦写次数高达3×105次，高阻态和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C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Sc-Sb-Te相变存储材料为Sc-Sb2Te3相变存储材料，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为1％～40％。本发明通过对Sc-Sb2Te3进行C掺杂，由于C是一种低热导的材料，可以很好的防止热扩散，且C的良好导电性保证了材料良好的导通，本发明的C掺杂Sc-Sb2Te3相变材料在外部能量的作用下，能够实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，高低阻态的阻值比可达两个数量级；其作为相变存储器的存储介质时，相变存储单元不仅具有相变速度快、写操作电流低等优点，而且器件的高温数据保持力及可靠性有了极大的提高；采用本发明相变存储器单元结构的相变存储器具有高速、低功耗、良好数据保持力等优越性。
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 (11)
1.一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述Sc-Sb-Te相变存储材料为Sc-Sb2Te3相变存储材料，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为1％～40％。
2.根据权利要求1所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C的原子百分比为5％～15％。
3.根据权利要求1或2所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为1％～10％。
4.根据权利要求3所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述Sc-Sb2Te3相变材料中，Sc的原子百分比为3％～5％。
5.根据权利要求1所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中，C与Sc成键结合后共同构成所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的成核中心。
6.根据权利要求1所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料，其特征在于，所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料在外部能量的作用下可实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变，且高电阻态与低电阻态的阻值比不小于两个数量级。
7.一种C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，其特征在于，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法制备如权利要求1至6中任一项所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
8.根据权利要求7所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，其特征在于，在氩气气氛下，采用Sb2Te3合金靶、Sc单质靶及C单质靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
9.根据权利要求7所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，其特征在于，在氩气气氛下，采用Sc-Sb2Te3合金靶及C靶共溅射制备所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料。
10.根据权利要求9所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料的制备方法，其特征在于，所述Sc-Sb2Te3合金靶及所述C靶均采用射频电源，在共溅射的过程中，通过调节所述射频电源的射频功率调节所述C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料中C的原子百分比。
11.一种相变存储器单元，其特征在于，所述相变存储器单元包括：
如权利要求1至6中任一项所述的C掺杂Sc-Sb-Te相变存储材料构成的相变材料层；
下电极层，位于所述相变材料层的下表面；
上电极层，位于所述相变材料层的上表面。
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