專利名稱：用于相變存儲(chǔ)器的Ti-Ge-Te系列材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，涉及ー種相變存儲(chǔ)材料，特別是涉及ー種用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料。
背景技術(shù)：
隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)不揮發(fā)存儲(chǔ)器的需求急劇增長(zhǎng)。作為目前主流的不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，閃存在商業(yè)上取得了巨大的成功，它被廣泛地應(yīng)用在分立式和嵌入式芯片中。然而，其較長(zhǎng)的擦寫時(shí)間和有限的擦寫次數(shù)，不能滿足未來(lái)技術(shù)發(fā)展的要求，而且由于自身物理機(jī)理上的限制，閃存單元尺寸的縮小遇到了很多的技術(shù)瓶頸。因此，人們都在積極尋求可替代閃存的新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)器技木。相變存儲(chǔ)器(Phase-changeRandom Access Memory,簡(jiǎn)稱PRAM)因?yàn)榫哂凶x寫速度快(ns量級(jí))、循環(huán)次數(shù)高、功耗低以及和現(xiàn)有的CMOSエ藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有可能成為未來(lái)可通用的新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù)。相變存儲(chǔ)器的原理是以硫系化合物為存儲(chǔ)介質(zhì)，利用電能(熱量)使材料在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信息的寫入與擦除，信息的讀出是靠測(cè)量電阻的大小，比較其高阻“I”還是低阻“0”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在相變存儲(chǔ)器中，相變材料的優(yōu)劣是決定相變存儲(chǔ)器性能好壞的ー個(gè)重要因素，因此相變存儲(chǔ)材料的研究受到了廣泛的關(guān)注。目前得到公認(rèn)并且研究最多的相變材料為Ge-Sb-Te，其中以Ge2Sb2Te5最為成熟。雖然基于Ge2Sb2Te5的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)可以 在常溫下保持十年，但是由于材料的結(jié)晶溫度較低(約為165度)，亦然面臨著數(shù)據(jù)丟失的位線，所以提高結(jié)晶溫度以改善相變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力以及提高相變材料的熱穩(wěn)定性就成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。Ge-Te體系相變材料相對(duì)于Sb-Te系列相變材料而言，有較高的結(jié)晶溫度，其結(jié)晶溫度達(dá)到185°C，從而有較好的熱穩(wěn)定性，并且具有更快速的SET操作，同時(shí)其晶態(tài)電阻和非晶態(tài)電阻的比值高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以基于Ge-Te體系的相變存儲(chǔ)器単元表現(xiàn)出了很好的信噪比。但是由于GeTe的晶阻比較小，使得其RESET功耗偏高，并且其結(jié)晶溫度不算太高，在數(shù)據(jù)保持力方面還有較大的提升空間。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中Ge-Te體系相變材料RESET功耗偏高，并且其結(jié)晶溫度較低的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，所述T1-Ge-Te系列材料的化學(xué)式為Ji1TyGexTey,其中0〈x〈0. 8,0<y<l-xo可選地，在所述TinyGexTey 中，滿足 0〈x=y〈0. 5?？蛇x地，在所述TinyGexTey中，滿足0〈l_x-y彡0.1?？蛇x地，在所述TinyGexTey 中，滿足 0. 01<l-x-y 彡 0. 04。
可選地，在所述TinyGexTey 中，滿足 0. 04〈l_x-y ( 0. 08?？蛇x地，在所述Ti1IyGexTey 中，滿足 l_x-y=0. 06。本發(fā)明還提供一種制備用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料的方法，所述方法至少包括以下步驟在氬氣氣氛中采用Ge、Te、Ti三靶共濺射或Ti靶和Ge-Te合金靶兩靶共濺射，在襯底上形成T1-Ge-Te系列材料，其中0〈x〈0. 8，0〈y〈l-x ;所述Ti靶采用射頻電源或直流電源；所述Ge靶、Te靶及Ge-Te合金靶采用射頻電源或直流電源?？蛇x地,Il氣的流量范圍是5(T400 seem?？蛇x地，所述Ti靶采用直流電源時(shí)濺射功率小于或等于80W ;所述Ti靶采用射頻電源時(shí)濺射功率小于或等于160W可選地，所述Ti靶采用射頻電源時(shí)濺射功率為20W、40W或60W。如上所述，本發(fā)明的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料及其制備方法，具有以下有益效果本發(fā)明提出在GeTe中摻入一定量的Ti，在保持?jǐn)?shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的高低阻比值的同時(shí)進(jìn)ー步提高結(jié)晶溫度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的保持力和顯著提升非晶態(tài)穩(wěn)定性；而且在GeTe中摻入一定量的Ti降低了材料的熱導(dǎo)率，使熱學(xué)效率得到提高；此外，T1-Ge-Te系列材料熔點(diǎn)的降低又進(jìn)ー步降低了器件功耗。


圖1顯示為本發(fā)明的T1-Ge-Te系列材料與純GeTe材料的薄膜方塊電阻在20°C /min升溫速率下 與溫度的關(guān)系曲線。圖2顯示為基于本發(fā)明的Tiatl6(GeTe)a94薄膜的相變存儲(chǔ)器件的電阻與電壓關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱I至圖2。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為ー種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明提供一種用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，所述T1-Ge-Te系列材料的化學(xué)式為Ji1TyGexTey,其中0〈x〈0. 8，0〈y〈トX，其制備方法采用磁控濺射法。具體的，采用Ge、Te、Ti三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的靶材進(jìn)行共濺射，或采用Ti靶和Ge-Te合金靶兩靶共濺射，在襯底上形成T1-Ge-Te系列材料。濺射時(shí)通過(guò)控制各靶材靶位的電源功率來(lái)調(diào)節(jié)T1-Ge-Te系列材料中個(gè)組分的原子百分含量。具體的，所述Ti靶采用射頻電源或直流電源，濺射時(shí)直流濺射功率小于或等于80W,射頻濺射功率小于或等于160W ;所述Ge靶、Te靶及Ge-Te合金靶采用射頻電源或直流電源。
本實(shí)施例中優(yōu)選為采用Ge、Te、Ti三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的靶材進(jìn)行共濺射，具體制備條件為在共濺射過(guò)程中同時(shí)通入純度為99. 999%的Ar氣，Ge靶和Te靶使用直流電源，Ti靶采用射頻電源。Ge靶和Te靶先同時(shí)起輝，再打開(kāi)Ti靶電源。Ar的流量范圍是5(T400sCCm，本實(shí)施例中優(yōu)選為60SCCm，然后調(diào)節(jié)Ti靶電源功率，從而在GeTe摻入不同含量的Ti。改變?nèi)械臑R射功率即可改變TiGeTe不同組份比例，從而可以制備三種元素任意配比的一系列TiGeTe材料。在上述條件下，設(shè)定Ge靶直流電源濺射功率為24W、Te靶直流電源濺射功率為6W，制備出的T1-Ge-Te系列材料中GeTe的組分為Ge Te=l:l,即制備出的TinyGexTey滿足x=y,其中x、y的取值范圍為0〈x=y〈0. 5。在另ー實(shí)施例中，也可采用GeTe的組分為Ge Te=1:1的合金靶來(lái)制備Ti1^2x(GeTe)2x，其中，GeTe的整體組分為2x, Ti的組分為ト2x。在GeTe的組分為Ge =Te=1:1的條件下，可調(diào)節(jié)Ti靶的濺射功率來(lái)?yè)饺氩煌康腡i。本實(shí)施例中，Ti分別用射頻電源20W、40W、60W，所得到的TiGeTe的組份分別為Ti0.02 (GeTe) 0.98> Tiatl3(GeTe)a97' Tiatl6(GeTe)a94,其中 Ti0.02 (GeTe) 0.98> Tiatl3(GeTe)tl97 及Ti0.06(GeTe)0.94 中 GeTe 的組分為 Ge :Te=l:l。請(qǐng)參閱圖1，顯示為本發(fā)明的T1-Ge-Te系列材料與純GeTe材料的薄膜方塊電阻在20°C /min升溫速率下與溫度的關(guān)系曲線。具體的，顯示了純GeTe、Tiatl2 (GeTe)。.98、Ti0.03 (GeTe)a97及Tiatl6 (GeTe)a94的薄膜方塊電阻與溫度的關(guān)系曲線。由圖1可知，純GeTe的非晶態(tài)薄膜電阻值大約為108，晶態(tài)電阻大約為80 Q，非晶態(tài)與晶態(tài)電阻的比值約7個(gè)數(shù)量級(jí)。摻入Ti后，非晶態(tài)電阻隨著Ti含量的增加而線性減小，而晶態(tài)電阻變化很小，在Ti含量一定的情況下，非晶態(tài)電阻隨溫度升高而下降，但是Tiatl2 (GeTe) a98、Tiatl3 (GeTe) Q.97材料高低組比值仍保有4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同吋，Tia⑷(GeTe) 0.98> Ti0.03 (GeTe) 0.97及Tiatl6(GeTe)a94的結(jié)晶溫度有較大提高，使得GeTe材料的綜合性能得到了改善。如圖1中所示，純GeTe的結(jié)晶溫度為185°C，當(dāng)Ti靶的濺射功率為20W時(shí)，制得的T1-Ge-Te系列材料(Ti0.03 (GeTe)0.97)的結(jié)晶溫度上升至210°C。進(jìn)ー步提升Ti的濺射功率使得結(jié)晶溫度進(jìn)ー步得到提升，當(dāng)使用射頻功率60W濺射Ti靶時(shí)，制得的T1-Ge-Te系列材料(Tiatl6(GeTe)Q.94)的結(jié)晶溫度提升至240°C。在本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程中還嘗試了使用射頻功率80W濺射Ti靶，制得的T1-Ge-Te系列材料的化學(xué)式為Tiatl8 (GeTe)。.92，但Tiatl8 (GeTe) 0.92的結(jié)晶溫度與60W濺射Ti靶時(shí)制得的T1-Ge-Te系列材料相比沒(méi)有進(jìn)ー步提升。可以預(yù)見(jiàn)，Ti靶濺射功率越高，制得的T1-Ge-Te系列材料中Ti的含量越高。通過(guò)以上結(jié)果及其趨勢(shì)可知，對(duì)于Ti1^GexTey材料，在x、y的取值范圍滿足0〈1-X_y ( 0.1時(shí)，材料的結(jié)晶溫度均有所提高，其中X、y的取值范圍滿足0. OKl-x-y ^ 0. 04時(shí)，結(jié)晶溫度提高幅度較小，X、y的取值范圍滿足0. 04<l-x-y ( 0. 08吋，結(jié)晶溫度提高幅度較大。需要指出的是，T1-Ge-Te系列材料中Ge與Te的原子比例并不限于1: 1，在其它實(shí)施例中，可通過(guò)改變Ge靶、Ti靶的功率來(lái)制備不同GeTe比例的T1-Ge-Te系列材料，還可通過(guò)選擇特定比例的GeTe合金靶來(lái)實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)參閱圖2，顯示為基于本 發(fā)明的Tiatl6(GeTe)a94薄膜的相變存儲(chǔ)器件的電阻與電壓關(guān)系曲線?？芍?，Ti0.06(GeTe)0.94的非晶態(tài)電阻在IO6-1O7之間，而晶態(tài)電阻在IO4-1O5之間，因此高低阻比值大約為3個(gè)數(shù)量級(jí)。足以保證相變存儲(chǔ)器件中“ 0”、“1”兩種狀態(tài)的區(qū)分，并保證了較好的信噪比。通過(guò)對(duì)Tiatl6(GeTe)a94器件性能的探究可知，基于Ti0.06(GeTe)0.94的相變存儲(chǔ)器件可以在IOns脈沖寬度及以下實(shí)現(xiàn)可逆相變，具有很快的操作速度。以上結(jié)果說(shuō)明Tiatl6(GeTe)a94的結(jié)晶溫度高達(dá)240°C，且相變速度非?？欤欠浅：线m的用于相變存儲(chǔ)器的相變材料。本發(fā)明的T1-Ge-Te系列材料可采用電脈沖作用實(shí)現(xiàn)電阻率的可逆轉(zhuǎn)變，采用激光脈沖作用實(shí)現(xiàn)光學(xué)反射率的可逆轉(zhuǎn)變，相對(duì)于Ge-Te材料，T1-Ge-Te系列材料結(jié)晶溫度更高，提升了非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性；熔點(diǎn)降低，能夠減小器件的功耗；晶粒減小，不僅有利于增強(qiáng)相變材料與上下電極的粘附型，而且提高了材料的結(jié)晶速率；熱導(dǎo)率降低，熱效率得到明顯提高，功耗得到進(jìn)ー步降低。并且該T1-Ge-Te系列材料的非晶與晶態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中密度變化較小，基于該相變材料的相變器件単元有更高的可靠性，同時(shí)，基于該相變材料的相變器件単元具有非?？斓腟ET操作速度(ns數(shù)量級(jí))，具有高的重復(fù)操作次數(shù)。綜上所述，本發(fā)明的用于 相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料及其制備方法，在保持T1-Ge-Te系列材料具有數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的高低阻比值的同時(shí)進(jìn)ー步提高材料的結(jié)晶溫度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的保持力和顯著提升非晶態(tài)穩(wěn)定性；而且在GeTe中摻入一定量的Ti降低了材料的熱導(dǎo)率，使熱學(xué)效率得到提高；此外，T1-Ge-Te系列材料熔點(diǎn)的降低又進(jìn)ー步降低了器件功耗。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于，所述T1-Ge-Te系列材料的化學(xué)式為=TimGexTey，其中 0〈x〈0. 8，0〈y〈l_x。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于在所述Ti1^yGexTey 中，滿足 0〈x=y〈0. 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于在所述 Ti1^yGexTey 中，滿足(Kl-x-y 彡 O.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于在所述 Ti1^GexTey 中，滿足 O. ΟΚΙ-χ-y ( O. 04。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于在所述 TinyGexTey 中，滿足 O. 04〈l_x-y ( O. 08。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料，其特征在于在所述 Ti1^GexTey 中，滿足 l_x-y=0. 06。
7.一種制備用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟在氬氣氣氛中采用Ge、Te、Ti三靶共濺射或Ti靶和Ge-Te合金靶兩靶共濺射，在襯底上形成T1-Ge-Te系列材料，其中0〈x〈0. 8，0〈y〈l-x ;所述Ti靶采用射頻電源或直流電源；所述Ge靶、Te靶及Ge-Te合金靶采用射頻電源或直流電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料的方法，其特征在于気氣的流量范圍是5(T400 seem。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料的方法，其特征在于所述Ti靶采用直流電源時(shí)濺射功率小于或等于80W ;所述Ti靶采用射頻電源時(shí)濺射功率小于或等于160W。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備用于相變存儲(chǔ)器的T1-Ge-Te系列材料的方法，其特征在于所述Ti靶采用射頻電源時(shí)濺射功率為20W、40W或60W。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于相變存儲(chǔ)器的Ti-Ge-Te系列材料及其制備方法，所述Ti-Ge-Te系列材料的化學(xué)式為Ti1-x-yGexTey，其中0<x<0.8，0<y<1-x；所述方法至少包括以下步驟在氬氣氣氛中采用Ge、Te、Ti三靶共濺射或Ti靶和Ge-Te合金靶兩靶共濺射，在襯底上形成Ti-Ge-Te系列材料；所述Ti靶采用射頻電源或直流電源，濺射時(shí)直流濺射功率小于或等于80W，射頻濺射功率小于或等于160W；所述Ge靶、Te靶及Ge-Te合金靶采用射頻電源或直流電源。本發(fā)明提出在GeTe中摻入一定量的Ti，在保持?jǐn)?shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的高低阻比值的同時(shí)進(jìn)一步提高結(jié)晶溫度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的保持力和顯著提升非晶態(tài)穩(wěn)定性；而且在GeTe中摻入一定量的Ti降低了材料的熱導(dǎo)率，使熱學(xué)效率得到提高；此外，Ti-Ge-Te系列材料熔點(diǎn)的降低又進(jìn)一步降低了器件功耗。
文檔編號(hào)C23C14/14GK103035841SQ20121057564
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者紀(jì)興龍, 吳良才, 宋志棠, 朱敏, 饒峰, 封松林 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