CN110828664B - 一种相变材料、相变材料的制备方法和相变存储器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种相变材料、相变材料的制备方法和相变存储器，该相变材料是由碳、铋、锑和碲四种元素组成，相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5，所述相变材料由Bi0.5Sb1.5Te3进行C掺杂制备形成，采用本申请提供的相变材料制成的相变存储器高低电阻转换较快，循环性能较好。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制造材料技术领域，特别涉及一种相变材料、相变 材料的制备方法和相变存储器。
背景技术
近年来，智慧城市及物联网的建设浪潮带来了市场对低功耗存储器更 殷切的需求，例如自然灾害检测监测和环境污染监测等领域。物联网应用 的主要局限在于供电和功耗，电池的频繁更换导致的维护成本提升，甚至 超过了物联网节点设备本身的价格，限制了其应用范围和寿命。为了有更 方便的续航方式和更长的使用寿命，越来越多的物联网设备采用了微小能 量收集方案，采用热电转换或者太阳能技术从环境中获取能量，为维持系统长时间运行提供保障。热电池或太阳能电池的供电电压仅为0.3V～0.6V， 接近甚至低于常用工艺的阈值电压，需要利用特别设计的升压转换器进行 多步升压，之后才能为设备进行供电。而升压幅度越大，升压转换器就越 复杂，伴随着更高的自身能耗，降低了能量转换效率和设备的续航能力。 采用低压低功耗存储器不仅有利于减少升压过程中的能量损耗，同时也能 降低系统对能量的需求，对保证终端设备长时间续航，对拓宽物联网应用 领域具有十分重要的意义。
相变存储是一种非易失存储技术，具有操作速度快，单元尺寸小，循 环寿命长，微缩特性好，以及与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容等优势，并具有多值存储能 力，已经成功应用于独立式存储，嵌入式存储，以及类脑芯片。相变材料 作为相变存储器的存储介质，在非晶态体现高电阻，而在晶态则体现低电 阻。通过施加低强度长脉宽的电信号，可以将相变材料加热至结晶温度之 上，并提供足够的时间使其完成结晶，从而实现存储单元由高电阻到低电 阻的转变，这一过程也被称为设置(Set)操作。当施加高强度短脉冲时， 相变材料温度将达到熔点以上，电脉冲过后的淬火过程使相变材料保持在 非晶状态，从而实现了存储单元电阻由低到高的转变，此过程也被称为重 置(Reset)操作。Reset操作需要使相变材料熔化，加热所需达到的温度在熔点之上，远高于Set过程所需达到的结晶温度，因而Reset能量消耗 也远高于Set操作，是限制相变存储器功耗降低的瓶颈。因此，降低Reset 过程的能量消耗是取得低功耗相变存储器的关键。
Bi0.5Sb1.5Te3的微观结构、热导率低、熔点低、粘滞性较高的特点使其在 具备作为相变材料母体材料的潜力。Bi0.5Sb1.5Te3作为性能优异的热电材料为 人们熟知，其微观结构和物理性质已经被深入研究。其结构与Sb2Te3材料非 常相似，都是通过范德华尔斯作用连接的五层原子结构，而后者是目前相 变材料优化最常用的母体材料，在其基础上已经开发了GeSbTe，TiSbTe， ScSbTe等多种性能优秀的相变材料。属于层状结构的Sb2Te3和Bi2Te3的晶 格热导率在与层状平行(～2W/mK@300K)和垂直(～1W/mK@300K)的方向上 有较大的差别，源于其结构上的各项异性。而Bi0.5Sb1.5Te3的五层结构中， Bi和Sb随机占据第二层和第四层的原子位置，增加了材料内部键的多样性 和振动模式的复杂性，将平面内的晶格热导率(～1W/mK@300K)降低了一半。 减小晶粒尺寸，增加界面声子和电子的散射，可以进一步将材料热导率减 小到一半以下。细化Bi0.5Sb1.5Te3晶粒，降低材料热导率，提升加热效率， 是实现低功耗相变材料(Phase Change Material，PCM)的有效途径。同 时，Bi0.5Sb1.5Te3熔点为605℃，低于Sb2Te3的熔点620℃，使其具备了在低 功耗相变存储材料方面的发展潜力。尽管进一步增加Bi的含量可以继续降 低熔点，如Bi2Te3的熔点为580℃，但是Bi-Te键较弱，原子间相互束缚能 力小，导致材料的粘滞性过低，不利于材料晶态和非晶态的循环转变。因 为，粘滞性低意味着原子运动的速度更快，需要更快的降温速度和更短的 降温时间才能保证相变材料中的原子在淬火过程中维持无序状态，即提高 了相变材料非晶化的难度。这就解释了我们在实验中观察到的Bi2Te3薄膜在 沉积态就是晶态，而且在器件中也无法通过电脉冲操作获得Reset态。有 一些方案通过在Bi2Te3中掺入N元素，形成较强的共价键，提高粘滞性，使 材料实现了反复相变。但所需的N掺杂含量较高，将引起材料内部分相， 无法保证材料在反复相变中的材料均匀性与稳定性，因此N掺Bi2Te3也不满足相变存储器应用的要求。
发明内容
本申请要解决是相变存储器功耗较高的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例第一方面公开了一种相变材料， 相变材料是由碳(C)、铋(Bi)、锑(Sb)和碲(Te)四种元素组成，相 变材料能够用于相变存储器。
进一步地，相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5。
进一步地，相变材料在电信号的操作下能够实现高低阻值的反复转换， 并在没有操作信号的情况下维持阻值不变。
进一步地，相变材料通过物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、溶胶 凝胶、或金属有机物化学气相沉积方法制备形成。
本申请实施例第二方面公开一种相变材料的制备方法，相变材料由 Bi0.5Sb1.5Te3进行C掺杂制备形成，相变材料能够用于相变存储器，。
进一步地，相变材料通过物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、溶胶 凝胶、或化学气相沉积方法制备形成。
进一步地，相变材料采用Bi0.5Sb1.5Te3合金靶和单质C靶共溅射形成。
进一步地，相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5。
本申请实施例第三方面公开了一种相变存储器，包括该相变材料。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请实施例提供的用于相变存储器的相变材料由Bi0.5Sb1.5Te3进行C 掺杂制备形成，用该相变材料制成的相变存储器高低电阻转换较快，循环 性能较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性 劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种相变存储器分别在400ns和200ns宽度脉 冲操作下的电阻变化图；
图2为本申请实施例一种相变存储器分别在100ns、50ns和20ns 宽度脉冲操作下的电阻变化图；
图3为本申请实施例一种相变存储器的循环操作性能图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进 行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护 的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一 个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要 理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含 指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征 可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本 申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例公开了一种用于相变存储器的相变材料，所述相变材料 是由碳(C)、铋(Bi)、锑(Sb)和碲(Te)四种元素组成。
本申请实施例中，相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5。
本申请实施例中，相变材料在电信号的操作下能够实现高低阻值的反 复转换，并在没有操作信号的情况下维持阻值不变。
本申请实施例还公开一种相变材料的制备方法，CxBi0.5Sb1.5Te3相变材料 由Bi0.5Sb1.5Te3进行C掺杂制备形成，其中0.01<X<5
一种可实施的方案中，相变材料能够采用物理气相沉积方法制成，例 如，采用Bi0.5Sb1.5Te3合金靶和单质C靶共溅射形成，本领域技术人员根据 具体情况也能够用化学气相沉积、电镀、溶胶凝胶、或金属有机物化学气 相沉积方法制备该相变材料。
本申请实施例还公开一种相变存储器，包括该相变材料。该相变存储 器的结构可以为：采用C0.5Bi0.5Sb1.5Te3作为相变材料，底电极采用直径190 纳米(nm)的钨(W)柱，上电极由氮化钛(TiN)和铝(Al)组成；图1 为该结构的相变存储器分别在200ns和400ns宽度脉冲操作下的电阻变 化图，图2为该结构的相变存储器分别在100ns、50ns和20ns宽度脉 冲操作下的电阻变化图，从图1和图2中可以看出，该相变存储器的高低 电阻转换速度能够达到20ns，比传统相变存储器(采用Ge2Sb2Te5相变材料) 快一倍；图3为该结构的相变存储器的循环操作性能图，从图3中可以看 出该相变存储器的循环性能优异。
本申请实施例提供的用于相变存储器的相变材料由Bi0.5Sb1.5Te3进行C 掺杂制备形成，用该相变材料制成的相变存储器高低电阻转换较快，循环 性能较好。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申 请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种相变材料，其特征在于，所述相变材料是由碳（C）、铋（Bi）、锑（Sb）和碲（Te）四种元素组成，所述相变材料能够用于相变存储器；
所述相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5。
2.根据权利要求1所述的相变材料，其特征在于，所述相变材料在电信号的操作下能够实现高低阻值的反复转换，并在没有操作信号的情况下维持阻值不变。
3.根据权利要求1所述的相变材料，其特征在于，所述相变材料通过物理气相沉积、化学气相沉积、电镀或溶胶凝胶方法制备形成。
4.一种相变材料的制备方法，其特征在于，所述相变材料由Bi0.5Sb1.5Te3进行C掺杂制备形成，所述相变材料能够用于相变存储器；
所述相变材料的通式为CxBi0.5Sb1.5Te3，其中0.01<X<5。
5.根据权利要求4所述的相变材料的制备方法，其特征在于，所述相变材料通过物理气相沉积、化学气相沉积、电镀或溶胶凝胶方法制备形成。
6.根据权利要求4所述的相变材料的制备方法，其特征在于，所述相变材料采用Bi0.5Sb1.5Te3合金靶和单质C靶共溅射形成。
7.一种相变存储器，其特征在于，包括权利要求1-3任意一项所述相变材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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