專利名稱：用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種微電子技術(shù)領(lǐng)域的相變存儲材料及制備方法，更確切的說是一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te的相變存儲材料及制備方法。
背景技術(shù)：
相變存儲技術(shù)是近幾年才興起的ー種新概念存儲技術(shù)，它利用相變薄膜材料作為存儲介質(zhì)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前存儲器研究的ー個熱點，被認為最有希望成為下一代主流存儲器。作為相變存儲器(PCRAM)的核心部分，相變薄膜材料的研發(fā)在PCRAM的研發(fā)中起到了至關(guān)重要的作用。相變材料性能的提升是提升整個PCRAM器件性能的關(guān)鍵技木。在相變存儲器中，Ge2Sb2Te5是典型的相變材料，但在應(yīng)用當中發(fā)現(xiàn)，Ge2Sb2Te5材料在相變時有較大的密度變化，結(jié)晶速度不佳，一般為幾百ns，另外其結(jié)晶溫度較低，為160°C左右，十年保持溫度僅 80°C，嚴重阻礙了此材料在相變存儲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?？梢姡珿e2Sb2Te5并不是最優(yōu)秀的相變材料，特別是征對某些特定環(huán)境要求的應(yīng)用。研究開發(fā)新的相變材料使器件同時具有操作速度快、高可靠性、高密度、熱穩(wěn)定性強、低成本等多種優(yōu)點或者在單方面應(yīng)用上具有突出性能，成為目前急需解決的問題。當前PCRAM的關(guān)鍵問題之一就是提高熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持力。目前Flash的數(shù)據(jù)保持カ是90°C下保持10年，汽車電子用的存儲器需要110°C下保持10年，空間應(yīng)用需要150°C下保持10年，Numonnyx利用Ge2Sb2Te5制造的PCRAM只能在75°C下保持10年。Ge2Sb2Te5材料提高數(shù)據(jù)保持力的方法有多種，較為常見的有(一)改變材料中各元素組分，(ニ)摻雜其他元素進行材料改性，(三)研究開發(fā)新材料。其中，Ge2Sb2Te5的摻雜是目前研究的一大熱點，例如，N-Ge2Sb2Te5和0-Ge2Sb2Te5。然而從實際效果上看，對數(shù)據(jù)保持力的提升沒有明顯幫助。GeTe也是ー種性能優(yōu)良的相變材料，研究證明，該材料結(jié)晶溫度高于Ge2Sb2Te5,相變前后高低電阻差距大，電流操作時速度可以達到幾個ns，但其數(shù)據(jù)保持カ仍然不能滿足エ業(yè)界和軍事航天領(lǐng)域的要求(約為90°C )，另外，其結(jié)晶前后密度變化較大，器件操作時面臨失效的危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有材料的缺點和不足，提供一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料及制備方法，該材料熱穩(wěn)定性好、功耗低、與COMSエ藝兼容。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，是ー種含有氮、鍺、碲三種元素的混合物，其組成通式為Nx (GeyTe1Jh,其中O < x彡O. 15，O. 5 < y彡O. 9。優(yōu)選地，其中的N元素跟Ge成鍵，形成GeNx。優(yōu)選地，所述的相變存儲材料是由GeNx、Ge與GeTe組成的材料體系。
優(yōu)選地，所述的相變存儲材料是由GeNx與GeTe組成的材料體系。優(yōu)選地，GeNx在所述的相變存儲材料中始終以非晶形式存在。優(yōu)選地，該相變存儲材料采用電脈沖作用實現(xiàn)電阻率的可逆轉(zhuǎn)變。本發(fā)明還提供一種上述N-Ge-Te相變存儲材料的制備方法采用磁控濺射制備 Nx (GeyTe1I) & 薄膜材料，其中 0<x 彡 0. 15，0. 5<y 彡 0. 9。
優(yōu)選地，在磁控濺射中采用多靶共濺射的方法；例如，可以用Ge、Te兩靶共濺射并摻入N2的方法，通過控制兩個靶位電源功率和Ar2/N2流量比例可以實現(xiàn)組分的調(diào)節(jié)；也可以用做好的GeyTei_y合金靶單靶濺射同時調(diào)節(jié)Ar2/N2流量比例的方法實現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所提供的用于高溫環(huán)境的Nx(GeyTe1Jh相變存儲材料可以在外部電脈沖的作用下實現(xiàn)可逆相變，相變前后有高低阻態(tài)之分，差值較大，便于外部電路輕松地分辨 “ 0 ”或“ I ”，是較為理想的相變存儲材料。該Nx (GeyTeiJh相變存儲材料，利用材料中存在的Ge-N化合物或者過量的單質(zhì)鍺，來提高非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性，可以使熱穩(wěn)定性得到大幅度提高。其中，GeNx在材料中始終以非晶形式存在，有利于增加相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)的電阻，降低閾值電流和功耗；材料中的GeNx還可以抑制材料結(jié)晶，使得晶粒細化，從而使相變前后薄膜密度變化減小，有利于器件的可逆操作。綜上所述，本發(fā)明用于高溫環(huán)境的Nx(GeyTe1Jh相變存儲材料在繼承了 GeTe相變性能的基礎(chǔ)上，相變前后具有較小的體積變化，相變時有較快的結(jié)晶速度，而且具有絕佳的數(shù)據(jù)保持力，能夠在高溫下較穩(wěn)定地工作。此外，該Nx (GeyTe1^y) 相變存儲材料的制備方法多樣，可以用磁控濺射、PLD、電子束蒸發(fā)等多種方法制備。其中，用磁控濺射法制備薄膜相對更為靈活。本發(fā)明在GeTe的基礎(chǔ)上，適當提高鍺元素的含量，同時摻入N元素來制備高性能薄膜相變材料，可以通過控制材料中N的含量和Ge-Te比例得到不同結(jié)晶溫度、熔點和結(jié)晶激活能的存儲材料。另外，該相變材料Nx (GeyTe1I) h中的各種元素，都是微電子應(yīng)用中的常用元素，工藝成熟，與COMS兼容性好。


圖I為不同氮含量NjGeuTe^h薄膜的方塊電阻隨溫度變化關(guān)系曲線；圖2為不同氮含量Nx (Gea6Tea4)^薄膜在400°C退火溫度下XRD曲線；圖3 為 Ge。. 6Te0.4 和 N。. 098 (Ge。. 6Te0.4) 0.902 薄膜沉積態(tài)鍺元素的 XPS 曲線；圖4為Naci98(Gea6Tea4)a9tl2相變存儲材料器件單元的SET/RESET曲線。
具體實施例方式下面通過具體實施例，進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步，但本發(fā)明決非僅局限于所述的實施例。本發(fā)明提出的一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其組成通式為 Nx(GeyTe1^y) h，其中N的含量不能超過15% ,Ge和Te的比例大于1，即是說x和y的取值范圍優(yōu)先推薦0 < X < 0. 15，0. 5 < y < 0. 9，是一種含有氮、鍺、碲三種元素的混合物薄膜。 其制備的方法多樣，可以用磁控濺射、脈沖激光沉積法PLD、電子束蒸發(fā)等多種方法制備。其中，用磁控濺射法制備薄膜相對更為靈活，可以用Ge、Te兩靶共濺射并摻入N2的方法，通過控制兩個靶位電源功率和Ar2/N2流量比例可以實現(xiàn)組分的調(diào)節(jié)，也可以用做好的GeyIVy 合金靶單靶濺射同時調(diào)節(jié)Ar2/N2流量比例實現(xiàn)，這些方法可以用來制備通式中所推薦的各種組分的相變材料。本實施例通過采用磁控濺射制備NjGe/Tedh薄膜材料，0 < x ^ 0. 15,0.5 <y ^O. 9，并對其進行測試來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。具體的制備方法如下表I
權(quán)利要求
1.一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于是一種含有氮、鍺、碲三種元素的混合物，其組成通式為Nx (GeyTe1Jh,其中O < x彡O. 15，O. 5 < y彡O. 9。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于其中的N元素跟Ge成鍵,形成GeNx。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于該相變存儲材料是由GeNx、Ge與GeTe組成的材料體系。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于該相變存儲材料是由GeNx與GeTe組成的材料體系。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4中任一項所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于GeNx在該相變存儲材料中始終以非晶形式存在。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料，其特征在于該相變存儲材料采用電脈沖作用實現(xiàn)電阻率的可逆轉(zhuǎn)變。
7.一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料的制備方法，其特征在于采用磁控濺射制備Nx(GeyIVy)H薄膜材料，其中O < X彡O. 15，0. 5 < y彡O. 9。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變存儲材料的制備方法，其特征在于在磁控濺射中采用多靶共濺射的方法。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用于高溫環(huán)境的N-Ge-Te相變薄膜材料及其制備方法，該材料的組分通式為Nx(GeyTe1-y)1-x，其中0＜x≤0.15，0.5＜y≤0.9，在外部電脈沖的作用下實現(xiàn)可逆相變。該材料可采用磁控濺射中多靶共濺射的方法制備。本發(fā)明立足于相變材料非晶態(tài)的穩(wěn)定性問題，通過調(diào)節(jié)化合物中摻雜N的含量和Ge、Te的比例，在不丟失可逆相變能力的前提下大幅度提高材料的結(jié)晶溫度和結(jié)晶激活能。Nx(GeyTe1-y)1-x與傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5材料相比有更高的結(jié)晶溫度、更好的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持力，為相變存儲器在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。
文檔編號H01L45/00GK102623632SQ20111003181
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉波, 吳良才, 周夕淋, 宋志棠, 彭程, 朱敏, 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