專利名稱：可用于相變存儲(chǔ)的相變材料及調(diào)節(jié)其相變參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種相變材料，尤其涉及一種用于相變存儲(chǔ)的相變材料；同時(shí)，本發(fā)明還涉及一種調(diào)節(jié)上述相變材料相變參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(PC-RAM，Phase Change-Random Access Memory)技術(shù)是基于 S. R. Ovshinsky 在 20 世紀(jì) 60 年代末(Phys. Rev. Lett.，21，1450 1453，1968)70 年代初 (App 1. Phys. Lett.，18,254 257，1971)提出的相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲(chǔ)介質(zhì)的構(gòu)建起來(lái)的，是一種價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的存儲(chǔ)器件，PC-RAM存儲(chǔ)器可以做在硅晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄信息的相變薄膜。相變合金材料的關(guān)鍵特點(diǎn)是當(dāng)給他一個(gè)電脈沖時(shí)可以使材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變。處于非晶態(tài)時(shí)呈現(xiàn)高阻，多晶態(tài)時(shí)呈現(xiàn)低阻，變化幅度可達(dá)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣就可以作為一個(gè)相變存儲(chǔ)器。利用相變薄膜電阻性能的PC-RAM存儲(chǔ)器雖然已經(jīng)在較早的時(shí)期推出，但由于制備技術(shù)和工藝的限制，當(dāng)時(shí)的相變材料只能在較強(qiáng)的電場(chǎng)下才能發(fā)生相變，這就限制了其實(shí)用化研制的進(jìn)程。隨著納米制備技術(shù)與工藝的發(fā)展，器件中材料的尺寸(包括薄膜厚度方向和平面內(nèi)的兩維尺寸)可以縮小到納米量級(jí)，使材料發(fā)生相變所需的電壓大大降低、 功耗減小，同時(shí)材料的性能也發(fā)生了巨大的變化。1999年，E⑶公司(Energy Conversion Devices, INC)實(shí)現(xiàn)了相變薄膜在很低電壓下的相變過(guò)程，相變后有優(yōu)良的電性能，特別適用于制造存儲(chǔ)器(SPIE，3891，2 9，1999).從此，PC-RAM存儲(chǔ)器得到了較快的發(fā)展。國(guó)際上有 Ovonyx、Intel、Samsung、Hitachi、STMicroelectronics 禾口 BritishAerospace等公司在開展PC-RAM存儲(chǔ)器的研究，目前正在進(jìn)行技術(shù)完善和克制造型方面的研發(fā)工。PC-RAM存儲(chǔ)器由于具有高速讀取、高循環(huán)次數(shù)，非易失性，元件尺寸小，功耗低、抗強(qiáng)震動(dòng)和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為最有可能取代目前閃存存儲(chǔ)器二成為未來(lái)存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，具有較高的結(jié)晶溫度和較好的可逆相變能力。此外，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種調(diào)節(jié)上述相變材料相變參數(shù)的方法，可以精確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度和熔點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，所述相變材料為錫、銻、碲三種元素組成的存儲(chǔ)材料。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述存儲(chǔ)材料中，錫的原子百分比含量為0. 1-90%。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述存儲(chǔ)材料中，碲的原子百分比含量為0. 1_90%。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，進(jìn)一步對(duì)相變材料SnxSbTey進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量在0-90%之間；摻雜元素為鍺、硒、磷、硫、金、銀、銦、鈦、鎢、鋁、錫、鉍、鎵、硼、氧、氮、氫、或稀土元
素中一種，或?yàn)樯鲜鰩追N元素的混合摻雜。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述相變材料在外部能量作用下具有可逆變化。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述相變材料在不同狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變是通過(guò)電驅(qū)動(dòng)、激光脈沖驅(qū)動(dòng)或電子束驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在相變存儲(chǔ)中，相變存儲(chǔ)器的低阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料全部或部分結(jié)晶，相變存儲(chǔ)器的高阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料的非晶態(tài)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，脈沖電壓的強(qiáng)度為0.001-20V，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為 0.001-1000ns。一種調(diào)節(jié)上述相變材料結(jié)晶溫度和熔點(diǎn)的方法，通過(guò)控制相變材料中各元素的含量，精確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和相變速度。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，具有反復(fù)相變的能力。GeSbTe具有高阻和低阻兩種不同阻值的狀態(tài)，且高阻態(tài)與低阻態(tài)之間可以通過(guò)施加脈沖電信號(hào)實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，滿足相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)材料的基本要求，是一種新型的存儲(chǔ)材料。Sn和Ge屬于同一主族的元素，具有相同的最外層電子數(shù)。Sn取代Ge，能使SnSbTe 材料具有比GeSbTe材料更快的相變速度，但是降低了相變材料的結(jié)晶溫度，導(dǎo)致SnSbTe相變材料的熱穩(wěn)定性下降。通過(guò)對(duì)SnSbTe材料進(jìn)行其他一種或多種元素的摻雜，能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)、相變速度，使材料在適當(dāng)?shù)脑嘏浔确秶鷥?nèi)具有合適的相變特性?？刹捎妹}沖電壓或脈沖激光驅(qū)動(dòng)相變材料在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變， 同時(shí)使相變材料的性能發(fā)生可逆變化，從而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)。


圖1為以Sn1Sb4Te7為存儲(chǔ)介質(zhì)的相變存儲(chǔ)器在300納秒寬度的電壓脈沖操作下的電阻隨電壓的變化曲線圖。圖2為基于Gel. 7SnTe基存儲(chǔ)材料的相變存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例一本發(fā)明揭示一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，所述相變材料為錫、銻、碲三種元素組成的存儲(chǔ)材料。所述存儲(chǔ)材料中，錫的原子百分比含量為0. 1-90% (如0. 1%,1%,10%, 25%，40%，60%，90%等等)；碲的原子百分比含量為0. 1-90% (如0. 1 %，1 %，10 %， 25%，40%，60%，90% 等等)。優(yōu)選地，進(jìn)一步對(duì)相變材料SnxSbTey進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量在0-90%之間。摻雜元素為鍺、硒、磷、硫、金、銀、銦、鈦、鎢、鋁、錫、鉍、鎵、硼、氧、氮、氫、或稀土元素中一種，或?yàn)樯鲜鰩追N元素的混合摻雜。所述相變材料在外部能量作用下具有可逆變化，所述相變材料在不同狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變是通過(guò)電驅(qū)動(dòng)、激光脈沖驅(qū)動(dòng)或電子束驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。脈沖電壓的強(qiáng)度為 0. 001-20V，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為0. 001-1000ns。在相變存儲(chǔ)中，相變存儲(chǔ)器的低阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料全部或部分結(jié)晶，相變存儲(chǔ)器的高阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料的非晶態(tài)。相變材料的電學(xué)性能可以在很大范圍內(nèi)變化，相變材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變將伴隨著電學(xué)性能的變化，其變化幅度可達(dá)到多個(gè)數(shù)量級(jí)，電壓脈沖可以使電壓脈沖可以使相變材料在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)換，利用不同狀態(tài)間電學(xué)性能的改變可以實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)。通過(guò)控制SnxSbTey中各元素的含量或調(diào)節(jié)其他摻雜元素的原子百分比，可以精確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和相變速度。在一個(gè)適當(dāng)?shù)脑优浔确秶鷥?nèi)，該材料具有較高的結(jié)晶溫度和較好的可逆相變能力，基于該材料的存儲(chǔ)器具有較好的性能。與GeSbTe相變材料一樣，SnSbTe相變材料具有反復(fù)相變的能力。Sn和Ge屬于同一主族的元素，具有相同的最外層電子數(shù)。Sn取代Ge能使SnSbTe材料具有比GeSbTe材料更快的相變速度，但是降低了相變材料的結(jié)晶溫度，導(dǎo)致SnSbTe相變材料的熱穩(wěn)定性下降。通過(guò)對(duì)SnSbTe材料進(jìn)行其他一種或多種元素的摻雜，能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)、相變速度，使材料在適當(dāng)?shù)脑嘏浔确秶鷥?nèi)具有合適的相變特性。實(shí)施例二本實(shí)施例中，本發(fā)明相變材料為Sn1Sb4Tep為了測(cè)試Sn1Sb4Te7基存儲(chǔ)材料得電學(xué)性能，采用如圖2所示的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。其中的存儲(chǔ)材料采用Sn1Sb4Te7薄膜材料，存儲(chǔ)單元采用0. 18微米的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝線完成，各膜層的尺寸如下下電極為Al，膜厚為300納米；下電極上的絕熱材料層為 SI02，其厚度為700納米；絕熱材料Si02層中的空心柱狀電極為W，其外徑為260納米、內(nèi)徑為100納米；空心柱狀電極上的絕熱材料層為Si02。，其厚度為200納米；Sn1Sb4Te7存儲(chǔ)材料的厚度為150納米；Sn1Sb4Te7存儲(chǔ)材料上的過(guò)渡層材料為TiN，其厚度為20納米。對(duì)上述構(gòu)造的存儲(chǔ)單元進(jìn)行脈沖電壓操作，讓兩個(gè)探針?lè)謩e和上下電極接觸，并施加幅度逐漸增加的電壓脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量存儲(chǔ)單元所對(duì)應(yīng)的電阻，得到的結(jié)果如圖1所
7J\ ο由圖可知基于Sn1Sb4Te7存儲(chǔ)材料的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元用300納秒寬度的電壓脈沖進(jìn)行讀寫所需的電壓。從圖中可以看出Sn1Sb4Tej^膜的開關(guān)特性明顯。用0.7伏300 納秒的電壓脈沖可以將材料從最初的高阻態(tài)(約為107歐姆)變?yōu)榈妥钁B(tài)(電阻約為104 歐姆)，相變前后電阻約有2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。用1.7伏300納秒的電壓脈沖可以將材料從低阻態(tài)(電阻約為104歐姆)變?yōu)楦咦钁B(tài)(約為107歐姆)，證明Sn1Sb4Te7材料具有反復(fù)相變的能力。由此可以得出如下結(jié)論=Sn1Sb4Te7材料具有高阻和低阻兩種不同阻值的狀態(tài)，且高阻態(tài)與低阻態(tài)之間可以通過(guò)施加脈沖電信號(hào)實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，滿足相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)材料的基本要求，是一種新型的存儲(chǔ)材料。
綜上所述，本發(fā)明提出的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，具有反復(fù)相變的能力。GeSbTe具有高阻和低阻兩種不同阻值的狀態(tài)，且高阻態(tài)與低阻態(tài)之間可以通過(guò)施加脈沖電信號(hào)實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，滿足相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)材料的基本要求，是一種新型的存儲(chǔ)材料。Sn和Ge屬于同一主族的元素，具有相同的最外層電子數(shù)。Sn取代Ge，能使SnSbTe 材料具有比GeSbTe材料更快的相變速度，但是降低了相變材料的結(jié)晶溫度，導(dǎo)致SnSbTe相變材料的熱穩(wěn)定性下降。通過(guò)對(duì)SnSbTe材料進(jìn)行其他一種或多種元素的摻雜，能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)、相變速度，使材料在適當(dāng)?shù)脑嘏浔确秶鷥?nèi)具有合適的相變特性。可采用脈沖電壓或脈沖激光驅(qū)動(dòng)相變材料在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變， 同時(shí)使相變材料的性能發(fā)生可逆變化，從而實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、 材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。
權(quán)利要求
1.一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于，所述相變材料為錫、銻、碲三種元素組成的存儲(chǔ)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于 所述存儲(chǔ)材料中，錫的原子百分比含量為0. 1-90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于 所述存儲(chǔ)材料中，碲的原子百分比含量為0. 1-90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于進(jìn)一步對(duì)相變材料SnxSbTey進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量在0-90%之間；摻雜元素為鍺、硒、磷、硫、金、銀、銦、鈦、鎢、鋁、錫、鉍、鎵、硼、氧、氮、氫、或稀土元素中一種，或?yàn)樯鲜鰩追N元素的混合摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于 所述相變材料在外部能量作用下具有可逆變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于所述相變材料在不同狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變是通過(guò)電驅(qū)動(dòng)、激光脈沖驅(qū)動(dòng)或電子束驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于在相變存儲(chǔ)中，相變存儲(chǔ)器的低阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料全部或部分結(jié)晶，相變存儲(chǔ)器的高阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料的非晶態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于 脈沖電壓的強(qiáng)度為0. 001-20V，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為0. OOl-lOOOns。
9.一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，其特征在于，所述相變材料包括錫、銻、碲三種元素；進(jìn)一步對(duì)相變材料SnxSbTey進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量在0-90%之間； 摻雜元素為鍺、硒、磷、硫、金、銀、銦、鈦、鎢、鋁、錫、鉍、鎵、硼、氧、氮、氫、或稀土元素中一種，或?yàn)樯鲜鰩追N元素的混合摻雜。
10.一種調(diào)節(jié)權(quán)利要求1至9之一所述相變材料結(jié)晶溫度和熔點(diǎn)的方法，其特征在于， 通過(guò)控制相變材料中各元素的含量，精確調(diào)節(jié)材料的結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和相變速度。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種可用于相變存儲(chǔ)的相變材料及調(diào)節(jié)其相變參數(shù)的方法，所述相變材料為錫、銻、碲三種元素組成的存儲(chǔ)材料。所述存儲(chǔ)材料中，錫的原子百分比含量為0.1–90％，碲的原子百分比含量為0.1–90％；進(jìn)一步對(duì)相變材料SnxSbTey進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量在0-90％之間。所述相變材料在外部能量作用下具有可逆變化；在相變存儲(chǔ)中，相變存儲(chǔ)器的低阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料全部或部分結(jié)晶，相變存儲(chǔ)器的高阻態(tài)對(duì)應(yīng)所述相變材料的非晶態(tài)。本發(fā)明提出的可用于相變存儲(chǔ)的相變材料，具有反復(fù)相變的能力。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102544361SQ20101061946
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者任堃, 吳良才, 宋志棠, 饒峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所