一種用于相變存儲(chǔ)器的相變材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可用于相變存儲(chǔ)器的基于氮化鈦與銻-碲合金的相變材料的制備及其應(yīng)用。所述相變材料的化學(xué)式為 （Ti-N）1-X-（SbYTe）X（0.15＜X＜1，0＜Y＜9）。由于SbYTe相變材料結(jié)晶過程以晶粒生長占主導(dǎo)，具有較快的相變速度，在相變材料中占有很重要的地位。但是SbYTe相變材料的低熱穩(wěn)定性不能滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的要求，一直制約著其發(fā)展。我們發(fā)明一種基于氮化鈦與銻-碲合金的新型相變材料，結(jié)晶溫度大幅度提高，保持力提升，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)；同時(shí)，由于其結(jié)晶后晶粒尺寸變小，具有更小的功耗和良好的電學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器。
【專利說明】一種用于相變存儲(chǔ)器的相變材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域相變材料及其制備方法，特別是涉及一種用于相變存儲(chǔ)器的(T1-N) H - ^^^^薄膜相變材料。

【背景技術(shù)】
[0002]信息的存儲(chǔ)和傳遞是促進(jìn)思想傳播和推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要保障。自從晶體管發(fā)明到集成電路的問世，人類歷史上經(jīng)歷了五次信息處理技術(shù)革命，迎來了燦爛的信息時(shí)代。信息技術(shù)的巨大進(jìn)步推動(dòng)著存儲(chǔ)技術(shù)朝著非易失性、低操作功耗和高存取速度方向快速發(fā)展。作為目前主流的不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，閃存在信息存儲(chǔ)中被廣泛應(yīng)用。然而隨著集成電路的不斷發(fā)展，閃存寫入速度慢，寫入電壓高、循環(huán)次數(shù)有限等缺點(diǎn)直接限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，尋求一種可代替閃存的新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)成為信息技術(shù)進(jìn)步的必然之路。
[0003]相變存儲(chǔ)器(PCM)以其快速的寫入速度，非易失性的存儲(chǔ)特點(diǎn)，在國際上被看作是將來的主流存儲(chǔ)模式。PCM—般指的是基于硫系化合物薄膜的隨機(jī)存儲(chǔ)器。其利用晶態(tài)和非晶態(tài)兩種微觀結(jié)構(gòu)在電學(xué)性能上的明顯差異來完成數(shù)據(jù)的讀寫。Sb-Te系列存儲(chǔ)材料，以其高速度低熔點(diǎn)的特點(diǎn)，在相變材料中占有重要地位。然而其熱穩(wěn)定性不能滿足很多行業(yè)的需要，一直制約著其發(fā)展。
[0004]納米復(fù)合相變材料，是一種新型相變材料。它能夠在復(fù)合材料各組分間取長補(bǔ)短，從而達(dá)到優(yōu)化效果。為了能克服Sb-Te系列存儲(chǔ)材料的缺點(diǎn)，同時(shí)又保留其速度快的有點(diǎn)，尋找一種基于Sb-Te系列存儲(chǔ)材料的復(fù)合材料，顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種結(jié)晶溫度高，數(shù)據(jù)保持力好，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，且相變速度快的相變存儲(chǔ)材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于氮化硅和銻-碲的相變材料(T1-N) g-其制備方法。其中，0.15 < X < 1，0 < Y < 9。
[0007]本發(fā)明還有一目的在于，提供一種相變速度快、功耗低的相變存儲(chǔ)器及其制備方法。
[0008]較佳的，具有可逆相變能力的SbYTe材料與T1-N形成納米尺度化合物，其晶粒的生長受到抑制。
[0009]較佳的，本發(fā)明提供的相變材料在電脈沖作用下能實(shí)現(xiàn)可逆相變，相變前后高低阻接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，能很好的滿足存儲(chǔ)器擦寫的需要。
[0010]較佳的，本發(fā)明提供的基于(T1-N) H - (SbYTe)jg變材料的相變存儲(chǔ)器，具有納秒級(jí)擦寫速度。
[0011]較佳的，本發(fā)明提供的基于(T1-N) H - (SbYTe)jg變材料的相變存儲(chǔ)器，具有較尚的擦與次數(shù)。
[0012]本發(fā)明制備的基于(T1-N) - (SbYTe)jg變材料，可以采用Sb YTe靶和T1-N靶共濺射的方法獲得，通過控制兩個(gè)靶位的濺射電源功率可以實(shí)現(xiàn)組分的調(diào)節(jié)。
[0013]此外，本發(fā)明還提供了基于上述復(fù)合材料為相變層的相變存儲(chǔ)器的制備方法。
[0014]上述相變存儲(chǔ)器制備方法包括以下步驟:(1)制備金屬下電極層和絕緣層。在氧化硅片上沉積電極金屬和絕緣層，再經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕、去膠等工藝形成孔洞。(2)用SbYTe靶和T1-N靶共濺射形成(T1-N) g - (SbYTe)jg變材料，以填充上述孔洞。(3)制備金屬上電極層。(4)對(duì)電極層和基于(T1-N) n - (SbYTe) x相變材料進(jìn)行刻蝕。
[0015]綜上所述，本發(fā)明的基于氮化鈦和銻-碲系列的(T1-N) g - (SbYTe)x相變材料，具有以下特征:隨著T1-N含量的增加，(T1-N)" - (SbYTe)x薄膜的晶態(tài)電阻不斷增加，降低了相變存儲(chǔ)器件的RESET電流。XRD結(jié)果表明，T1-N的加入對(duì)相變材料晶粒的生長存在抑制作用，晶粒不斷細(xì)化，從而使(T1-N) η - (SbYTe)x相變材料的結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力不斷增強(qiáng)，熱穩(wěn)定性得到改善。此外，由于T1-N的熱穩(wěn)定性好，相比于摻入其它單質(zhì)(Si，Ti)其抗氧化能力增強(qiáng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1濺射在5102片的TiN-Sb 2Te薄膜的R-T測試曲線。
[0017]圖2TiN濺射功率為20W時(shí)制備的相變存儲(chǔ)器件的R-V性能測試曲線。
[0018]圖3TiN濺射功率為20W時(shí)制備的相變存儲(chǔ)器件的疲勞性能測試曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例一
本發(fā)明所述的(T1-N) η - (SbYTe)xffi變材料具有一系列優(yōu)異性能，以下結(jié)合附圖及以Sb2Te為實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的薄膜材料做進(jìn)一步描述:
1、本發(fā)明的(T1-N)^ - (Sb2Te)5^g變材料，采用Sb2Te靶和TiN靶在高純氬氣的條件下共濺射制備。具體工藝參數(shù)如下，氬氣流量設(shè)置為50 SCCM，濺射氣壓為0.20Pa。SbyTe靶，采用射頻功率20W進(jìn)行濺射。TiN靶，以射頻功率10W，20W，30W濺射。通過改變TiN的功率，可以得到不同組分的(TiN)H - (Sb2Te)xffi變材料薄膜。
[0020]2、可以將不同組分的薄膜樣品制備于不同襯底上。襯底分別為Al膜、Si片襯底、S12片襯底、超薄碳膜。將濺射在Al膜上的薄膜，進(jìn)行EDS測試，得到的結(jié)果如下:
(1)Sb2Te 20W, TiN 1ff 測試結(jié)果:TiN- (Sb2Te)016
(2)Sb2Te 20W, TiN 20W 測試結(jié)果:TiN- (Sb2Te)0 33
(3)Sb2Te 20W, TiN 30W 測試結(jié)果:TiN- (Sb2Te)0 48
將濺射在S12片的TiN-Sb 2Te薄膜，進(jìn)行R-T測試。從圖1可以看出TiN功率為20W時(shí)，高低電阻相差達(dá)到四個(gè)數(shù)量級(jí)，并且結(jié)晶溫度達(dá)到170°C以上。相變材料薄膜的熱穩(wěn)定性得到極大提高。
[0021]將濺射在Si片上的TiN-Sb2Te薄膜和純Sb2Te薄膜，進(jìn)行XRD測試?？梢钥闯觯S著TiN含量的增加，復(fù)合材料的衍射峰不斷減弱。這說明，TiN的加入抑制了結(jié)晶。
[0022]將濺射在超薄碳膜上的薄膜，進(jìn)行TEM測試。研宄退火前后，TiN和Sb2Te的分布情況以及復(fù)合材料晶粒的大小。TiN和Sb2Te復(fù)合后，具有可逆相變能力的Sb2Te晶粒，被TiN分成納米尺度區(qū)域，使復(fù)合材料的晶粒尺寸大大減小。
[0023]以下對(duì)所述相變存儲(chǔ)器的制造方法做進(jìn)一步描述:
1、在氧化硅片上沉積一層W、TiN薄膜作為下電極，再經(jīng)過甩膠、曝光、刻蝕工藝刻出圖形。
[0024]2、在上述制備好的電極圖形上繼續(xù)沉積氧化物(如S12),再經(jīng)過甩膠、曝光、刻蝕工藝在氧化物中刻出直徑為50-300nm左右的小孔用于W、TiN電極的填充。
[0025]3、用CVD法沉積W、TiN電極，填充小孔。
[0026]4、上述制作的襯底上，利用TiN靶和Sb2Te靶共濺射，沉積相變材料層。然后沉積一層T1-N薄膜，以提高材料的黏附性。
[0027]5、對(duì)丨打幻"-(Sb2Te)x相變材料和TiN薄膜進(jìn)行干法刻蝕。刻蝕氣體為CF4(20sccm) + Ar (2sccm)，氣壓 80mtorr，功率 200W。
[0028]6、在沉積有(TiN) g - (Sb2Te) x材料薄膜的結(jié)構(gòu)上，用電子束蒸鍍法沉積300nm金屬電極層(如Al金屬)。
[0029]7、再一次利用曝光-刻蝕工藝，對(duì)上述金屬層進(jìn)行刻蝕，制備出上電極。
[0030]對(duì)上述相變存儲(chǔ)器，進(jìn)行電學(xué)性能測試:
圖2所示，為TiN為20W時(shí)，器件的R-V性能。圖中可以看出，材料高低阻相差接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。SET電壓在2V以下，RESET電壓在3V以下，并且可以在80ns實(shí)現(xiàn)相變。
[0031]圖3所示，為TiN為20W時(shí)，器件的疲勞性能。此相變存儲(chǔ)器在高低阻相差保持接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的情況下，抗疲勞次數(shù)能達(dá)到10000以上。
[0032]實(shí)施例二
與實(shí)施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，SbyTe相變材料為Sb4Te,相變材料層的制備方法改為AVD或ALD法，其余步驟與實(shí)施例一完全相同，亦可達(dá)到相同的技術(shù)效果。
[0033]實(shí)施例三
與實(shí)施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，相變材料層的制備方法改為電子束蒸發(fā)制備，其余步驟與實(shí)施例一完全相同，亦可達(dá)到相同的技術(shù)效果。
[0034]實(shí)施例四
與實(shí)施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，相變材料層的制備方法改為PLD方法制備，其余步驟與實(shí)施例一完全相同，亦可達(dá)到相同的技術(shù)效果。
[0035]實(shí)施例五
與實(shí)施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，相變材料層的制備方法改為溶膠-凝膠方法制備，其余步驟與實(shí)施例一完全相同，亦可達(dá)到相同的技術(shù)效果。
[0036]實(shí)施例六
與實(shí)施例一及二采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于SbYTe相變材料為Sb2Te3,利用51321'63合金靶和TiN靶制備相變材料層。其余步驟與實(shí)施例一及二完全相同。
[0037]綜上所述，本發(fā)明提供的(T1-N)H - (SbYTe)jg變材料，在外部能量的作用下，可順利實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變，利用可逆轉(zhuǎn)變前后高低阻值的差異來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。由于T1-N的加入，(T1-N) g - (SbYTe)亦結(jié)晶過程受到抑制，其晶粒較小，提升了結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力，增加了器件的穩(wěn)定性。以(T1-N)H - (SbYTe)x材料為相變層的相變存儲(chǔ)器，高低阻相差接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，RESET電壓在3V以下，操作速率能達(dá)到100ns以下，擦寫次數(shù)達(dá)10000次以上，是一種很好的相變材料。
【權(quán)利要求】
1.一種用于相變存儲(chǔ)器的相變材料，其特征在于所述材料為包含114和3卜16材料的化合物，其組成通式為(1140 3 -，其中0.15 ? X ? 1，0 ? V ? 9。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的(1140^ - (8^16))(相變材料，其特征在于:％ ,16材料與形成納米尺度化合物，其晶粒的生長受到大大抑制，具有更高的結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力，熱穩(wěn)定性得到極大改善。
3.一種用于相變存儲(chǔ)器的相變材料，其特征在于的加入，可以更好的提高114電極和相變材料的界面特性，提高基于(0 0 -變材料的器件穩(wěn)定性，此外丁與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體集成電路制造工藝高度兼容。
4.一種用于相變存儲(chǔ)器的相變材料，其特征在于:的組分不受限制，II和~的比例不限為1:1的III可以為非1:1比例的114，如II隊(duì)，II々等。
5.所述的(1140” -變材料，其特征在于:114的制備方式不受限制， 的形成可以通過濺射固態(tài)的114靶獲得114薄膜，也可以是利用II靶在隊(duì)氣氛下濺射形成！'薄膜，等等。
6.所述的(1140^ -相變材料，其特征在于:114和％ ,16材料能夠形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了相變材料中原子間的結(jié)合力，減少了相變材料的分相，形成均勻穩(wěn)定的
~相變材料薄膜，提升材料和器件的穩(wěn)定性。
7.一種用于相變存儲(chǔ)器的(1140 0 -(變材料，其特征在于所述材料在電脈沖作用下，可以實(shí)現(xiàn)可逆相變，晶態(tài)與非晶之間的電阻差值更大，閾值電壓降低、功耗減少、操作速度快，以其為相變層制作的相變存儲(chǔ)器，可滿足產(chǎn)品需要。
8.—種用于相變存儲(chǔ)器的(1140 ^ -變材料，其特征在于所述的(1140 - 相變材料可以采用114靶和31^16靶磁控共濺射制備，或者采用脈沖激光沉積，或者電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)等物理方法制備。
9.一種用于相變存儲(chǔ)器的(1140 ^ -變材料，其特征在于所述的(1140.0 -(相變材料可以采用化學(xué)方法制備，包括化學(xué)氣相沉積((^0)、原子層沉積(八或者溶膠-凝膠法、水熱法等化學(xué)方法制備。
【文檔編號(hào)】H01L45/00GK104465988SQ201410775269
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】韓培高, 吳良才, 孟云, 宋志棠, 徐嶺, 馬忠元 申請(qǐng)人:曲阜師范大學(xué)