專利名稱：一種相變存儲材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲材料領(lǐng)域，涉及一種相變存儲材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器的研究是目前存儲器研究的熱點，具有廣闊的市場前景?，F(xiàn)有的相變 存儲器大致分為兩類，一類是已經(jīng)商業(yè)化的多媒體數(shù)據(jù)光盤(DVD)，另一類是正處于研究中 的硫系化合物隨機存儲器(Chalcogenide random access memory，C-RAM)。C-RAM 集高速、 高密度、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、抗輻照、非易失性等優(yōu)點于一身，是目前被廣泛看好的下一代 存儲器的有力競爭者，它將替代目前廣泛使用的閃存在電子存儲器領(lǐng)域占據(jù)重要一席，故 它的研究開發(fā)受到了全球各大半導體公司的關(guān)注。在C-RAM的研發(fā)過程中，作為存儲器媒介的相變材料是提高C-RAM器件性能的關(guān) 鍵之一。目前在C-RAM中研究和使用較多的相變存儲材料是鍺銻碲合金(Ge-Sb-Te)，特別 是Ge2Sb2I^5，該材料是利用可逆相變前后電阻的差異實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的。雖然Ge2Sb2I^5在熱 穩(wěn)定性、讀寫速度上有著比較突出的性能，但是同樣面臨著嚴峻的問題首先，材料的結(jié)晶 溫度較低(約為165°C左右)，雖然基于Ge2Sb2I^5的存儲器數(shù)據(jù)能夠在110°C下保持10年， 但是存儲器在高溫時依然面臨著數(shù)據(jù)丟失的危險；其次，材料中的碲對人體和環(huán)境有著負 面的影響，并不環(huán)保；此外，由于碲元素的低熔點、低蒸汽壓，容易在高溫制備過程中產(chǎn)生揮 發(fā)，它對半導體工藝的污染問題目前也屬于未知數(shù)，對半導體生產(chǎn)線有一定威脅，所以極大 限制和阻礙了含碲相變存儲器的開發(fā)和研究；最后，Ge-Sb-Te材料是三種元素的合金，各 種元素都具有不同的化學和物理性能，給微細加工等后續(xù)工藝帶來不便。綜上所述，目前相變存儲器使用的相變材料還有一些需要改進的地方，特別是材 料中的碲如果能被取代或者去除，那將對相變存儲器的發(fā)展提供一個新的機遇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種相變存儲材料，該相變存儲材料不含有
毒兀素；此外，本發(fā)明還提供一種相變材料的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種相變存儲材料，包括鋁銻二元材料，所述鋁銻二元材料的組成式為AlxSbh, 其中0 < χ < 1。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述相變存儲材料還包括對鋁銻二元材料進行摻雜 的摻雜材料，所述摻雜材料為氧、氮、硼、硅、鍺中的一種或多種。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述相變存儲材料中的鋁材料的原子百分比為 20%。一種相變存儲材料的制備方法，包括以下步驟步驟一，制備好Al靶和釙靶；
步驟二，采用雙靶磁控共濺射的方法對Al靶和Sb靶進行共濺射，在共濺射得同時 通入Ar氣；具體的工藝參數(shù)如下A1靶采用射頻功率電源；Sb靶采用直流電源，濺射氣壓 為 0.26Pa0作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述Al靶和Sb靶的原子百分比純度均為99. 999%, 直徑均為75mm，厚度均為5mm。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述Ar氣的純度為99. 999%。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，Al靶采用的射頻功率電源的射頻功率為20W，Sb 靶采用的直流電源的直流功率為25W，薄膜組分為Ala2Sba98t5作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，Al靶采用的射頻功率電源的射頻功率為60W，Sb 靶采用的直流電源的直流功率為25W，薄膜組分為Alai8Sbai^本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所述的鋁銻二元材料組分簡單，不含有毒元素，并 且與互補金屬氧化物半導體(CM0Q器件制造工藝兼容性非常好，是一種對環(huán)境友好的可 用于相變存儲器的存儲材料。


圖1為鋁含量約為百分之二原子比的鋁銻二元材料的電阻隨溫度的變化曲線示 意圖；圖2為鋁含量約為百分之十八原子比的鋁銻二元材料的電阻隨溫度的變化曲線 示意圖；圖3為鋁含量約為百分之二原子比的鋁銻二元材料在R-T測試前后的XRD圖；圖4為鋁含量約為百分之十八原子比的鋁銻二元材料在R-T測試前后的XRD圖；圖5為基于鋁銻二元材料的相變存儲器的高阻態(tài)測試的V-I曲線示意圖；圖6為基于鋁銻二元材料的相變存儲器的電阻與脈沖電壓(R-V)的關(guān)系曲線示意 圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。實施例一本實施例提供一種相變存儲材料，該材料包括鋁銻二元材料，鋁銻二元材料的組 成式為AlxSbh,式中χ為鋁元素的原子百分比，且0 < Χ < 1。對鋁銻二元材料進行氧、氮、 硼、硅、鍺中的一種或多種摻雜后的組分中，鋁材料的原子百分比在到20%之間。所述相變存儲材料為在外部能量作用下具有可逆變化的材料，所述外部能量作用 包括電驅(qū)動、激光脈沖驅(qū)動或電子驅(qū)動。所述鋁銻二元材料AlxSbh在施加電脈沖信號的情 況下，會發(fā)生高阻態(tài)與低阻態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換，具有高低阻態(tài)可逆轉(zhuǎn)換的特性，可以用于實 現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。在可逆變化前后，鋁銻二元材料AlxSbh的電阻率和反射率有較大的變化，是 用于存儲器的理想材料。此外，它還是一種環(huán)境友好的材料，成份簡單，便于成份的嚴格控 制，同時也便于后續(xù)的半導體工藝加工。通過對鋁銻二元材料AlxSbh電阻率隨時間變化的 研究發(fā)現(xiàn)，該材料的非晶態(tài)在升溫至某一溫度后結(jié)晶，電阻率迅速下降，材料的結(jié)晶溫度和 熔化溫度與其中的鋁含量密切相關(guān)，鋁含量越高材料的結(jié)晶溫度和熔點越高。因此通過控制鋁銻二元材料AlxSbh中鋁的含量可以控制材料的結(jié)晶溫度、熔點和電阻率。與傳統(tǒng)的用于相變存儲器的SbTe、GeSbTe和SiSbTe等相變薄膜材料相比，本發(fā) 明所述的鋁銻二元材料AlxSbh組分簡單，不含有毒元素，并且與互補金屬氧化物半導體 (CMOS)器件制造工藝兼容性非常好，是一種對環(huán)境友好的可用于相變存儲器的存儲材料。實施例二本實施例提供一種實施例一所述的相變存儲材料的制備方法，該制備方法為采用 雙靶磁控共濺射的方法制備AlxSbh薄膜，具體包括以下步驟1、先制備好直徑均為75mm、厚度均為5mm的Al靶和Sb靶，靶的純度均為99. 999% (原子百分比)；2、然后采用雙靶磁控共濺射的方法，在共濺射過程中同時通入純度為99. 999%的 Ar氣；具體的工藝參數(shù)如下1)A1靶采用射頻功率電源；2) Sb靶采用直流電源，選擇Sb靶的功率為25W ；3)濺射氣壓為0.洸㈦。利用本實施例所述的相變存儲材料制備方法，通過改變Al靶上的射頻功率可以 得到不同濺射速率和不同組分的AlxSbh薄膜。通過掃描電子顯微鏡的剖面觀察分析可以 得知AlxSbh薄膜的厚度；用能量彌撒X射線探測器分析可以得知AlxSbh薄膜中各元素所 占的比例。運用如上的分析測試可以獲得不同組分的AlxSbh薄膜，例如1、Al靶射頻功率為20W、Sb靶直流功率為25W時，薄膜組分為Ala2Sba98 ；2、Al靶射頻功率為60W、Sb靶直流功率為25W時，薄膜組分為Ala 18SbQ.82。實施例三本實施例針對實施例二所述的兩種組分鋁銻二元材料Ala2Sba98和Ala 18Sb0.82進 行溫度-電阻(R-T)測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為鋁含量為百分之二原子比的鋁銻二元材料的電阻隨溫度變化的曲線 (R-T)，其中實心曲線為升溫過程，空心曲線為冷卻過程。由圖1可知，當合金材料中的鋁含 量為百分之二原子比時，材料的電阻隨著溫度上升而下降，并且在溫度為480K左右的時候 劇烈下降。該R-T測試表明，鋁銻二元材料Ala2Sba98的結(jié)晶溫度約為480K，而高、低電阻 率的差異達到兩個數(shù)量級。圖2為鋁含量為百分之十八原子比的鋁銻二元材料的電阻隨溫度變化的曲線 (R-T)，其中實心曲線為升溫過程，空心曲線為冷卻過程。同樣的，由圖2可知，當合金材料 中的鋁含量為百分之十八原子比時，材料的電阻隨著溫度上升而下降，并且在溫度為530K 左右的時候劇烈下降。該R-T測試表明，鋁銻二元材料Alai8Sba82的結(jié)晶溫度約為530K，而 高、低電阻率的差異達到兩個數(shù)量級。圖3和圖4分別為鋁銻二元材料Alc^btl.98和Alai8Sba82在沉積態(tài)(a)和經(jīng)R-T測 試后(b)的X射線衍射(X-ray Diffraction, XRD)圖譜，從圖譜可知，合金材料處于高阻態(tài) 和低阻態(tài)的結(jié)構(gòu)有明顯的不同，即在高阻態(tài)時為非晶態(tài)(R-T測試前)，而在低阻態(tài)時為多 晶態(tài)(R-T測試后)，很顯然，鋁銻二元材料AlxSbh的電阻的變化是由于相變造成的。實施例四
本實施例提供一種鋁銻基相變存儲器件的制備方法，包括以下步驟1、清洗兩塊(100)取向的硅襯底，在其中一塊硅襯底上制備IOOnm厚的鎢電極；2、在另一塊硅襯底和長有鎢電極的硅襯底上沉積鋁銻二元材料AlxSbh;該鋁銻 二元材料AlxSbh的制備方法如實施例二所述；3、在Si (100)/WAlxSbh薄膜上制備IOOnm的氧化硅絕緣層，利用半導體常規(guī)的曝 光-刻蝕工藝在氧化硅絕緣層上刻出直徑為500nm的小孔，在直徑為500nm的小孔內(nèi)再沉 積300nm鋁電極，再次利用曝光-刻蝕工藝對鋁電極進行刻蝕制備出上電極，從而形成鋁銻 基相變存儲器件。實施例五本實施例對實施例四所述制備方法制備出的鋁銻基相變存儲器件進行測試，測試 結(jié)果如圖5和6所示，基于鋁銻的PCRAM器件具有在電信號的作用下實現(xiàn)電阻的可逆轉(zhuǎn)換 的功能，滿足相變存儲材料的基本要求。本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。 這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例 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)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料 和部件來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲材料，其特征在于所述相變存儲材料包括鋁銻二元材料，所述鋁銻 二元材料的組成式為AlxSbh,且0 < X < 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲材料，其特征在于所述相變存儲材料還包括對鋁 銻二元材料進行摻雜的摻雜材料，所述摻雜材料為氧、氮、硼、硅、鍺中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變存儲材料，其特征在于所述相變存儲材料中的鋁材料 的原子百分比為1^-20 ^
4.一種相變存儲材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，制備好Al靶和Sb靶；步驟二，采用雙靶磁控共濺射的方法對Al靶和Sb靶進行共濺射，在共濺射得同時通 入Ar氣；具體的工藝參數(shù)如下A1靶采用射頻功率電源；Sb靶采用直流電源，濺射氣壓為 0.26Pa0
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相變存儲材料的制備方法，其特征在于所述Al靶和Sb靶 的原子百分比純度均為99. 999%，直徑均為75mm，厚度均為5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相變存儲材料的制備方法，其特征在于所述Ar氣的純度為 99. 999%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6任意一項所述的相變存儲材料的制備方法，其特征在于A1靶 采用的射頻功率電源的射頻功率為20W，Sb靶采用的直流電源的直流功率為25W，薄膜組分為 Al0 2Sb0 980
8.根據(jù)權(quán)利要求4至6任意一項所述的相變存儲材料的制備方法，其特征在于A1靶 采用的射頻功率電源的射頻功率為60W，Sb靶采用的直流電源的直流功率為25W，薄膜組分 為 Al0. IsSb0 82 O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變存儲材料及其制備方法，該相變存儲材料包括鋁銻二元材料，所述鋁銻二元材料的組成式為AlxSb1-x，其中0<x<1；所述相變存儲材料還包括對鋁銻二元材料進行摻雜的摻雜材料，所述摻雜材料為氧、氮、硼、硅、鍺中的一種或多種；所述相變存儲材料中的鋁材料的原子百分比為1%～20%。本發(fā)明所述的鋁銻二元材料組分簡單，不含有毒元素，并且與互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件制造工藝兼容性非常好，是一種對環(huán)境友好的可用于相變存儲器的存儲材料。
文檔編號H01L45/00GK102142518SQ201010619510
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者任堃, 劉衛(wèi)麗, 劉波, 吳良才, 宋志棠, 李學來, 饒峰 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所