專利名稱：用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造材料領(lǐng)域，具體涉及一系列用于制造電阻轉(zhuǎn)換相變存儲(chǔ)器 的存儲(chǔ)介質(zhì)材料。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器是目前半導(dǎo)體市場的重要組成部分，是信息技術(shù)的基石，無論在生活中還 是在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用。目前，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)產(chǎn)品主要有閃存，磁盤、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ) 器，靜態(tài)存儲(chǔ)器等。其他非易失性技術(shù)鐵電體RAM、磁性RAM、碳納米管RAM、電阻式RAM、銅 RAM (Copper Bridge)、全息存儲(chǔ)、單電子存儲(chǔ)、分子存儲(chǔ)、聚合物存儲(chǔ)、賽道存儲(chǔ)(Racetrack Memory)、探測存儲(chǔ)(Probe Memory)等作為下一代存儲(chǔ)器的候選者也受到了廣泛的研究。這 些技術(shù)各有各的特色，但大都還處于理論研究或者初級試驗(yàn)階段，距離大范圍實(shí)用還非常 遙遠(yuǎn)。而目前相變存儲(chǔ)器已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，走向了市場。繼Numonyx宣布出貨Omneo系列 相變存儲(chǔ)芯片后，三星也宣布推出了首款多芯片封裝512Mbit相變存儲(chǔ)顆粒產(chǎn)品。目前對 相變存儲(chǔ)器的期望是取代消費(fèi)電子領(lǐng)域中的NOR型閃存。相變存儲(chǔ)器的基本原理是利用期間中存儲(chǔ)材料在高電阻和低電阻之間的可逆轉(zhuǎn) 變來實(shí)現(xiàn)“1”和“O”的存儲(chǔ)。通過利用電信號控制實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)材料高電阻的連續(xù)變化可以實(shí) 現(xiàn)多級存儲(chǔ)，從而大幅提高存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)能力。在相變存儲(chǔ)器中，利用了相變材料在非 晶和多晶之間的可逆轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)上述的電阻變化。Si-Sb-Te系列材料作為相變存儲(chǔ)材料，在近段時(shí)間已經(jīng)被深入的研究了。相比傳 統(tǒng)的Ge-Sb-Te材料，Si-Sb-Te具有更好的的數(shù)據(jù)保持能力、更快的相轉(zhuǎn)變速度、更小的操 作電流等優(yōu)點(diǎn)。但是作為相變存儲(chǔ)材料的Si-Sb-Te材料的各元素的最優(yōu)原子數(shù)比之前還 未被了解。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，其特征在于該Si-Sb-Te材料的化學(xué)式為 SixSb2Te3,0 < χ ≤ 4。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，該Si-Sb-Te材料在電信號操作下實(shí)現(xiàn)高低阻值的反復(fù) 轉(zhuǎn)換，并在沒有電信號操作的情況下維持阻值不變。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在所述SixSb2Te3中，Si的含量滿足3≤χ≤4。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在所述SixSb2Te3中，Si的含量滿足3≤χ≤3. 5。本發(fā)明的有益效果在于。本發(fā)明提供的一系列用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，具有較佳的相穩(wěn)定性和 數(shù)據(jù)保持力，將該材料應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器中，具有較佳的器件操作穩(wěn)定性和操作速度，其中 SixSb2Te3(3 ≤ χ ≤ 3. 5)是用來制備相變存儲(chǔ)器非常合適的存儲(chǔ)介質(zhì)。
圖1 (a)、(b)、(c)、(d)分別為 Si2Sb2Te6 材料薄膜在沉積態(tài)、423K、483K 和 573Κ 退 火溫度下的透射電子明場顯微圖像及選區(qū)電子衍射圖像。圖2 (a)為退火后Sb2Te3、Si2Sb2Te3和Si3Sb2Te3材料的X射線衍射圖像；圖2 (b) 是結(jié)晶后的SixSb2Te3材料的高分辨透射電子顯微圖像。圖3為Sb2Te3、Ge2Sb2Te5和SixSb2Te3材料薄膜的體電阻隨退火溫度升高而變化的 圖像。圖4(a)為基于Si3Sb2Te3M料的相變存儲(chǔ)器在電脈沖操作下的電阻電壓曲線；圖 4(b)為該相變存儲(chǔ)器的疲勞曲線。圖5(a)為基于Si15Sb2Te3M料的相變存儲(chǔ)器在電脈沖操作下的電阻電壓曲線；圖 5(b)為該相變存儲(chǔ)器的疲勞曲線。圖6(a)為基于SixSb2Te3U = 3. 8,4)材料的相變存儲(chǔ)器在電脈沖操作下的電阻 電壓曲線；圖6(b)為該相變存儲(chǔ)器的疲勞曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明人為了尋求最適合用于制造相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，進(jìn)行了 以下研究分析調(diào)節(jié)Si-Sb-Te中Sb和Te元素的原子數(shù)量比，使得Si-Sb-Te材料在相轉(zhuǎn)變后有 簡單相組成。研究發(fā)現(xiàn)在富Te的Si2Sb2Te6材料相轉(zhuǎn)變之后，材料中出現(xiàn)了明顯的Te相分 離。而在Sb和Te原子數(shù)目比為2 3的SixSb2Te3材料相轉(zhuǎn)變之后，材料中沒有出現(xiàn)Te 分相。富Te的Si-Sb-Te材料中Te元素的相分離會(huì)導(dǎo)致該材料均勻性下降，影響該相變材 料所制備成的相變存儲(chǔ)器的操作參數(shù)的一致性和循環(huán)操作的穩(wěn)定性，是不利的表現(xiàn)。并且 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)富Te的Si-Sb-Te材料在高溫退火之后會(huì)有部分Te元素?fù)]發(fā)，使得材料中Sb 和Te的原子數(shù)目比維持在2 3附近。這個(gè)現(xiàn)象反映出Sb和Te原子數(shù)目比為2 3的 Si-Sb-Te體系是一個(gè)穩(wěn)定的材料體系。所以通過這方面研究可以確定合適的Si-Sb-Te相 變材料中Sb和Te元素的原子數(shù)目比應(yīng)該為2 3。在確定Sb和Te原子數(shù)目比為2 3之后，調(diào)節(jié)Si在SixSb2Te3中的含量使得材 料能在393K溫度下最少保持十年。數(shù)據(jù)丟失時(shí)間是指材料在環(huán)境溫度的作用下由存放“1” 狀態(tài)的高電阻降為初始電阻的一半所需的時(shí)間。移動(dòng)電子器件對數(shù)據(jù)保持里的最低要求是 在393K的環(huán)境溫度下能保持?jǐn)?shù)據(jù)十年。Si在Si-Sb-Te相變材料中起到了提高材料熱穩(wěn)定 性的作用，也就是提高了材料的數(shù)據(jù)保持能力。換句話說Si含量越多，相變材料能保存數(shù) 據(jù)的時(shí)間更長。經(jīng)研究，傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5材料大約能在364K的環(huán)境溫度下保持?jǐn)?shù)據(jù)十年。 而Si3Sb2Te3, Si3.5Sb2Te3, Si5Sb2Te3材料分別能在393K，412K和442Κ的環(huán)境溫度下保持?jǐn)?shù) 據(jù)十年，均滿足了作為移動(dòng)電子器件在數(shù)據(jù)保持能力方面的要求。通過這方面研究，發(fā)明人 進(jìn)一步確定了合適的SixSb2Te3材料中Si的含量應(yīng)該滿足χ≥3。SixSb2Te3作為相變存儲(chǔ)材料，在相轉(zhuǎn)變過程中的體積變化應(yīng)該越小越好。相變 材料從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變到晶態(tài)時(shí)會(huì)在材料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致宏觀的材料體積變化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) 傳統(tǒng)相變材料Ge2Sb2Te5在相變前后體積變化了 7.7%。Si2Sb2Te6在相變前后體積變化了6. 3%。而SixSb2Te3(l. 7 ^ χ ^ 5)在相變前后的體積變化范圍是2. 0% -2. 5%，遠(yuǎn)小于前 兩者。通過這方面研究，確定了 SixSb2Te3在控制相變前后體積變化方面優(yōu)于Ge2Sb2Te5和 Si2Sb2Te6 材料。SixSb2Te3作為相變存儲(chǔ)材料，在相變存儲(chǔ)器中必須與基板有良好的粘附性。材料 結(jié)晶會(huì)引發(fā)薄膜厚度的變化，導(dǎo)致在材料中產(chǎn)生很高的應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)使得薄膜與基板 之間的粘附力降低。而結(jié)晶過程中形成的晶粒越小就越利于應(yīng)力的釋放，有利于提高薄膜 與基板之間的粘附力。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)富Si的SixSb2Te3薄膜與基板之間的粘附力明顯優(yōu)于 貧Si的SixSb2Te3薄膜與基板之間的粘附力。這是由于SixSb2Te3中的非晶Si能起到抑制 Sb2Te3晶粒的生長，使晶粒維持在很小的尺寸。這有利于應(yīng)力的釋放和提高材料與基板之間 的粘附力。通過這方面研究，確定了富Si的SixSb2Te3材料與基板的粘附力大于Ge2Sb2Te5 和Si2Sb2Te6與基板之間的粘附力。在滿足了 SixSb2Te3材料必須滿足χ ^ 3的條件之后，基于這些材料的相變存儲(chǔ)器 件必須在電信號操作下有良好的穩(wěn)定性。器件的穩(wěn)定性包括在反復(fù)操作中高阻和低阻基本 穩(wěn)定，所需的操作信號基本一致，能達(dá)到高的循環(huán)操作次數(shù)。Si含量高雖然能提高材料的數(shù) 據(jù)保持力，減少相變前后體積變化，增強(qiáng)材料與基板之間的粘附力，但是過量的Si必然會(huì) 使得材料的相變性能惡化。所以Si含量并不是越高越好的，它存在著一個(gè)上限。經(jīng)過研究 發(fā)現(xiàn)基于SixSb2Te3U = 3,3. 5)材料的相變存儲(chǔ)器在電信號操作下體現(xiàn)出了穩(wěn)定的高低電 阻分布，并且循環(huán)次數(shù)都高于106。而基于SixSb2Te3U = 3. 8,4)材料的相變存儲(chǔ)器在電信 號操作下電阻分布離散，循環(huán)操作次數(shù)不如基于SixSb2Te3U = 3,3. 5)材料的相變存儲(chǔ)器。 通過這方面研究可以確定Si含量在χ ( 4的情況下才能使保證基于SixSb2Te3材料的相變 存儲(chǔ)器具有良好的電操作穩(wěn)定性。經(jīng)過以上研究，發(fā)明人認(rèn)為適合用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料中的原子數(shù)目 比必須滿足SixSb2Te3 (3的關(guān)系。而通過深入研究，權(quán)衡材料的相穩(wěn)定性和數(shù)據(jù) 保持力，及器件的操作穩(wěn)定性和操作速度，可以得出SixSb2Te3(3 ^ χ ^ 3. 5)是用來制備相 變存儲(chǔ)器非常合適的存儲(chǔ)介質(zhì)這個(gè)結(jié)論。以下結(jié)合所附圖表及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。表1是通過能譜分析得到的Si2Sb2Te6薄膜在不同溫度下的各元素的實(shí)際原子數(shù) 比例。其中，Si和Sb元素的原子數(shù)目比例在退火溫度逐漸升高的過程中保持不變，而Te 元素的含量隨著升溫逐漸減少。Te元素具有易揮發(fā)的特點(diǎn)，在高溫下?lián)]發(fā)過程加速。富Te 的Si2Sb2Te6相變材料在升溫過程中Te不斷減少，最后形成了 Si2Sb2Te3材料。這個(gè)實(shí)施例 反映出富Te的Si-Sb-Te材料在操作過程中元素配比是會(huì)發(fā)生變化的，是不穩(wěn)定的。這個(gè) 實(shí)施例又反映出當(dāng)Te含量減少到與Sb的原子數(shù)目比為3 2時(shí)的Si-Sb-Te材料是能在 高溫下維持穩(wěn)定的元素配比的相變材料。表 權(quán)利要求
1.于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，其特征在于該Si-Sb-Te材料的化學(xué)式為 SixSb2Te3,0 < χ < 4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，其特征在于該Si-Sb-Te 材料在電信號操作下實(shí)現(xiàn)高低阻值的反復(fù)轉(zhuǎn)換，并在沒有電信號操作的情況下維持阻值不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，其特征在于在所述 SixSb2Te3中，Si的含量滿足3彡χ彡4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te材料，其特征在于在所述 SixSb2Te3中，Si的含量滿足3彡χ彡3. 5。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用于相變存儲(chǔ)器的Si-Sb-Te相變材料，其化學(xué)式為SixSb2Te3，0<x≤4，可以在電信號作用下實(shí)現(xiàn)高低阻值之間的轉(zhuǎn)換。在經(jīng)過對富Te的Si2Sb2Te6材料和Si含量不同的SixSb2Te3材料的綜合研究，發(fā)現(xiàn)SixSb2Te3的熱穩(wěn)定性優(yōu)于Ge2Sb2Te5和Si2Sb2Te6材料，并且SixSb2Te3在相變過程中沒有出現(xiàn)Si2Sb2Te6材料的Te分相。SixSb2Te3材料中Si含量的增加能提高材料的數(shù)據(jù)保持能力，滿足了長時(shí)間穩(wěn)定存儲(chǔ)信息的要求，同時(shí)Si含量的增加能減少材料在相變過程中的體積變化，并且提高材料與基板的粘附力。通過研究得到，當(dāng)3≤x≤3.5時(shí)，SixSb2Te3材料是最適合用于制備相變存儲(chǔ)器的。
文檔編號H01L45/00GK102130298SQ20111002160
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者任堃, 吳良才, 周夕淋, 宋志棠, 饒峰 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所