CN111463345B - 一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料及其制备方法和相变存储器单元 - Google Patents
一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料及其制备方法和相变存储器单元 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种Ta‑Ge‑Sb‑Te相变材料及其制备方法和相变存储器单元，该Ta‑Ge‑Sb‑Te相变材料包括钽(Ta)元素、锗(Ge)元素、锑(Sb)元素和碲(Te)元素，所述Ta‑Ge‑Sb‑Te相变材料的化学式为TaxGeySbzTe100‑x‑y‑z，其中，2≤x≤15，5≤y≤50，5≤z≤70。本申请提供的Ta‑Ge‑Sb‑Te相变材料可以通过调节钽(Ta)元素、锗(Ge)元素、锑(Sb)元素和碲(Te)元素的含量以及薄膜的厚度得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，本申请提供的Ta‑Ge‑Sb‑Te相变材料，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。
Description
技术领域
本申请涉及微电子技术领域，特别涉及一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料及其制备方法和相变存储器单元。
背景技术
相变存储器是近年来发展迅速的一种非挥发性半导体存储器。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。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，且具有成熟的材料体系，技术积累丰富。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，Ge2Sb2Te5的结晶温度低导致10年可靠数据保存的工作温度仅为85℃左右，面临丢失数据的风险，且在嵌入式系统中无法得到应用。并且研究表明基于Ge2Sb2Te5的相变存储器实现稳定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，研发出一种新的相变存储器件，以在其数据保持能力、相变速度等各方面寻求平衡且与CMOS工艺兼容的相变薄膜材料实属必要。
发明内容
本申请要解决是现有技术中Ge2Sb2Te5相变材料结晶温度较低，热稳定性不好、数据保持力得不到保证、面临着数据丢失、相变速度低且无法满足动态随机存储器速度要求的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料，包括钽(Ta)元素、锗(Ge)元素、锑(Sb)元素和碲(Te)元素，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式为TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤15，5≤y≤50，5≤z≤70。
进一步地，所述Ta-Ge-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。
进一步地，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料包括Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料，所述Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料的厚度为5-100纳米。
进一步地，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成。
本申请另一方面提供一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料的制备方法，根据所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤15，5≤y≤50，5≤z≤70，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所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。
进一步地，采用磁控溅射法制备所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料具体包括：
采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。
进一步地，所述Ta单质靶和所述Ge2Sb2Te5合金靶均采用射频电源，溅射所述Ge2Sb2Te5合金靶所用功率为20瓦，溅射所述Ta单质靶所用功率为6-10瓦。
本申请实施例还提供一种相变存储器单元，包括相变材料层，所述相变材料层包括所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。
进一步地，相变存储器单元还包括下电极层和上电极层，所述相变材料层位于所述下电极层与所述上电极层之间。
进一步地，所述相变材料层的厚度为5-100纳米。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请实施例所提供的Ta-Ge-Sb-Te相变材料可以通过调节四种元素的含量和薄膜的厚度得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，该Ta-Ge-Sb-Te相变材料可调性非常强，有利于优化相变材料各方面性能；且该相变材料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，本申请实施例所提供的Ta-Ge-Sb-Te相变材料，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。
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为本申请实施例不同组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的电阻-温度关系图。
图2为本申请实施例不同组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的数据保持能力计算结果图。
图3为本申请实施例采用厚度为60nm的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6作为相变材料层制备的相变存储器单元的电阻-电压关系图。
图4为本申请实施例采用厚度为60nm的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6作为相变材料层制备的相变存储器单元的疲劳性能图。
图5为本申请实施例不同厚度的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变材料的电阻-温度关系图。
图6为本申请实施例不同厚度的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变材料的数据保持能力计算结果图。
图7为本申请实施例采用厚度为10nm的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6作为相变材料层制备的相变存储器单元的电阻-电压关系图。
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Ta-Ge-Sb-Te相变材料，包括钽(Ta)元素、锗(Ge)元素、锑(Sb)元素和碲(Te)元素，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式为TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤15，5≤y≤50，5≤z≤70；优选的，x＝2～9、y＝18～23、z＝18～23。
本申请实施例中，所述Ta-Ge-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。
本申请实施例中，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料可以为Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料，所述Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料的厚度为5-100纳米(nm)。
本申请实施例中，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料可以采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成。
本申请另一方面提供一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料的制备方法，根据所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤15，5≤y≤50，5≤z≤70，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所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。本申请实施例提供的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的制备方法，工艺简单，便于精确控制材料的成分。
本申请实施例中，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料可以采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成。
本申请实施例中，所述Ta单质靶和所述Ge2Sb2Te5合金靶均采用射频电源，溅射所述Ge2Sb2Te5合金靶所用功率为20瓦，溅射所述Ta单质靶所用功率为6-10瓦。本申请实施例中，溅射过程中，本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体为氩气，溅射温度为室温，溅射时间为1～30分钟。
图1为不同组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的电阻-温度关系图，图1中两种组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式分别为：Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6和Ta8.4Ge20.4Sb20.4Te50.8。由图1可以看出，Ta-Ge-Sb-Te的高阻随着钽含量的增大而减小，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-Ge-Sb-Te相变材料的结晶温度。
图2为不同组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的数据保持能力计算结果图，图2中两种组分的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式分别为：Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6和Ta8.4Ge20.4Sb20.4Te50.8。由图2可以看出，Ta-Ge-Sb-Te的10年数据保持温度随着钽含量的增加而增加，因此，Ta-Ge-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。本申请实施例中，Ta-Ge-Sb-Te材料体系的10年数据保持力相比现有技术中的Ge2Sb2Te5有了明显提高。
本申请实施例还提供一种相变存储器单元，包括相变材料层，所述相变材料层次采用上述Ta-Ge-Sb-Te相变材料制成。
本申请实施例中，相变存储器单元还包括下电极层和上电极层，所述相变材料层位于所述下电极层与所述上电极层之间。
本申请实施例中，所述相变材料层的厚度为5-100纳米。
图3为采用Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变材料层制备的相变存储器单元器件的电阻-电压曲线图，其相变材料层的厚度为60nm。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分别为100纳秒、80纳秒、50纳秒、30纳秒、20纳秒、10纳秒和6纳秒。
图4为本申请实施例采用厚度为60nm的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6作为相变材料层制备的相变存储器单元的疲劳性能图，Ta-Ge-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，如图4所示，该器件无疲劳地反复擦写次数达到1.8×105，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。但是在脉冲宽度变小时，单元器件的“擦”与“写”的操作电压较高，6纳秒时，分别为4.7V和6.7V，通过调节Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变材料层的厚度能够有效解决这一问题。
图5为不同厚度的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变薄膜材料的电阻-温度关系图。从图5可以看出，结晶温度可以通过薄膜厚度的不同在210℃～260℃之间变化，当厚度为5nm时，结晶温度为212℃，高于现有技术中的Ge2Sb2Te5的结晶温度。
图6为不同厚度的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变薄膜材料数据保持能力计算结果图。Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6相变薄膜材料的10年数据保持力随着膜厚度的增加而增加。其中，5nm厚的10年数据保持力为95℃，也大于现有技术中的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料。
图7为采用厚度为10nm的Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6作为相变材料层制备的相变存储器单元的电阻-电压关系图。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30纳秒、20纳秒、15纳秒、10纳秒和6纳秒。通过减小厚度，单元器件的“擦”与“写”的操作电压得到改善，6纳秒时的“擦”与“写”的操作电压分别为2.3V和3.3V。比厚度为60nm时减少50％。
本申请实施例所提供的相变材料可以通过调节四种元素的含量和厚度得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料。其中Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6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，并且通过调节Ta5.2Ge21.1Sb21.1Te52.6的薄膜厚度，可以达到降低操作电压的目的，因此，本发明所述的Ta-Ge-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。
以上所述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 (6)
1.一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料，其特征在于，包括钽(Ta)元素、锗(Ge)元素、锑(Sb)元素和碲(Te)元素，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式为TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤9，18≤y≤23，18≤z≤23；所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成，所述Ta单质靶和所述Ge2Sb2Te5合金靶均采用射频电源，溅射所述Ge2Sb2Te5合金靶所用功率为20瓦，溅射所述Ta单质靶所用功率为6-10瓦；所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料包括Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料，所述Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料的厚度为5-10nm，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的结晶温度为250℃～310℃，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的10年数据保持力最高为198℃。
2.根据权利要求1所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述Ta-Ge-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。
3.一种Ta-Ge-Sb-Te相变材料的制备方法，其特征在于，根据所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的化学式TaxGeySbzTe100-x-y-z，其中，2≤x≤9，18≤y≤23，18≤z≤23，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所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料；所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料包括Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料，所述Ta-Ge-Sb-Te相变薄膜材料的厚度为5-10nm，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的结晶温度为250℃～310℃，所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料的10年数据保持力最高为198℃。
4.根据权利要求3所述的Ta-Ge-Sb-Te相变材料的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法制备所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料具体包括：
采用Ta单质靶和Ge2Sb2Te5合金靶共溅射制备形成所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。
5.一种相变存储器单元，其特征在于，包括相变材料层，所述相变材料层包括权利要求1-2任一项所述Ta-Ge-Sb-Te相变材料。
6.根据权利要求5所述的相变存储器单元，其特征在于，还包括下电极层和上电极层，所述相变材料层位于所述下电极层与所述上电极层之间。
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