一種Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲(chǔ)器單元及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲(chǔ)器單元及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體市場(chǎng)中，存儲(chǔ)器占有重要的地位。利用相變薄膜材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)的相變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是最有潛力的下一代非易失性存儲(chǔ)器。相變存儲(chǔ)器技術(shù)基于S.R.0vshinsky在20世紀(jì)60年代末、70年代初提出的奧弗辛斯基電子效應(yīng)的存儲(chǔ)器，其關(guān)鍵材料包括作為存儲(chǔ)介質(zhì)的相變薄膜、加熱電極材料、絕緣材料和引出電極材料等。相變存儲(chǔ)器的基本原理是:施加電學(xué)脈沖信號(hào)于器件單元，使相變材料在非晶態(tài)與晶態(tài)之間產(chǎn)生可逆轉(zhuǎn)變，利用材料在高電阻值的非晶態(tài)和低電阻值的晶態(tài)之間的電阻差異來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Ovshinsky于1992年提出了基于電學(xué)信號(hào)的可擦寫相變存儲(chǔ)器的專利(美國(guó)專利,專利號(hào):5166758)，以硫系化合物Ge-Sb-Te合金薄膜作為相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)。直至目前，用于相變存儲(chǔ)器的典型材料仍為硫系化合物合金Ge-Sb-Te薄膜，其中以Ge2Sb2Te5應(yīng)用最廣，即Ge、Sb、Te三種元素成分的原子比為2:2:5。
[0003]存儲(chǔ)器的研究一直朝著高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向發(fā)展。對(duì)于傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器存儲(chǔ)介質(zhì)材料Ge2Sb2Te5，仍然存在著不能忽視的缺點(diǎn)。其結(jié)晶溫度較低(^ 140°C )，使高密度相變存儲(chǔ)器芯片相鄰單元的熱串?dāng)_問(wèn)題難以避免；Ge2Sb2Te5的熱穩(wěn)定性無(wú)法滿足汽車電子等領(lǐng)域的高溫?cái)?shù)據(jù)保持力的要求一一在120°C下數(shù)據(jù)能夠保持10年以上；而且，其在器件中的功耗和擦寫速度仍然需要進(jìn)一步改善。另外，Te元素熔點(diǎn)低，蒸汽壓高，高溫下易揮發(fā)，導(dǎo)致Ge2Sb2Te5高溫退火過(guò)程中容易發(fā)生相分離；且Te元素具有高擴(kuò)散性，會(huì)導(dǎo)致材料成分偏移且對(duì)于半導(dǎo)體工藝線具有污染性等。總之，新型相變材料應(yīng)該在減少或者去除相變材料中Te元素的前提下，滿足結(jié)晶溫度較高、高溫?cái)?shù)據(jù)保持力較好、結(jié)晶速度較快等要求，且在相變存儲(chǔ)器器件中功耗較低、擦寫速度快以及能達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)。
[0004]Sb-Te系列的相變材料有著較快的相變速度，其最穩(wěn)定的晶態(tài)相為Sb2Te3。但Sb2Te3的結(jié)晶溫度非常低，熱穩(wěn)定性非常差。在沒(méi)有摻雜的情況下，Sb 21^3相變材料不能應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器。
[0005]鑒于此，如何對(duì)Sb-Te系列相變材料進(jìn)行摻雜以大幅度提高其結(jié)晶溫度，提升數(shù)據(jù)保持力，以滿足現(xiàn)實(shí)需要，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲(chǔ)器單元及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲(chǔ)器的編程速度、數(shù)據(jù)保持力及可罪性均有待進(jìn)一步提聞的問(wèn)題。
[0007]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Sb-Te-Cr相變材料，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr 1(l(l_x_y,其中x、y均指元素的原子百分比，且滿足 30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0008]可選地，所述SbxTeyCr 1(|。_”中，滿足x:y = 2:3，且Cr的原子百分比滿足0〈100-x-y〈25。
[0009]可選地，所述SbxTeyCricitlIA, Cr的原子百分比滿足5〈100_x-y〈15。
[0010]本發(fā)明還提供一種相變存儲(chǔ)器單元，所述相變存儲(chǔ)器單元包括下電極層、上電極層及位于所述下電極層和上電極層之間的相變材料層；所述相變材料層采用Sb-Te-Cr相變材料，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr1(l(l_x_y,其中x、y均指元素的原子百分比，且滿足 30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0011]可選地,所述下電極層的材料包括:單金屬材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一種，或由所述單金屬材料中的任意兩種或多種組合成的合金材料，或所述單金屬材料的氮化物或氧化物。
[0012]可選地,所述上電極層的材料包括:單金屬材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一種，或由所述單金屬材料中的任意兩種或多種組合成的合金材料，或所述單金屬材料的氮化物或氧化物。
[0013]本發(fā)明還提供一種相變存儲(chǔ)器單元的制備方法，包括以下步驟:
[0014]形成下電極層；
[0015]在所述下電極層上形成相變材料層；所述相變材料層采用Sb-Te-Cr相變材料，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr1H,其中x、y均指元素的原子百分比，且滿足 30〈x〈45,40〈y〈100-x ；
[0016]在所述相變材料層上形成上電極層；
[0017]在所述上電極層上形成引出電極，把所述上電極層、所述下電極層通過(guò)所述引出電極與器件單元的控制開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路及外圍電路集成。
[0018]可選地,所述引出電極的材料包括:單金屬材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一種，或由所述單金屬材料中的任意兩種或多種組合成的合金材料。
[0019]可選地，制備所述下電極層、所述相變材料層、所述上電極層及所述引出電極的方法包括:濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法中的任意一種。
[0020]如上所述，本發(fā)明的Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲(chǔ)器單元及其制備方法，具有以下有益效果:本發(fā)明提供的用于相變存儲(chǔ)器的Sb-Te-Cr新型相變材料，在外部能量的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)高電阻態(tài)與低電阻態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變；其作為相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，相變存儲(chǔ)單元不僅具有相變速度快、寫操作電流低等優(yōu)點(diǎn)，而且器件的高溫?cái)?shù)據(jù)保持力及可靠性都得到了提高。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1顯示為本發(fā)明的相變存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2顯示為形成下電極層的示意圖。
[0023]圖3顯示為在下電極層上形成相變材料層的示意圖。
[0024]圖4顯示為在相變材料層上形成上電極層的示意圖。
[0025]圖5顯示為Sb36.Je55.2&8相變材料應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器中，所形成的器件單元在電流激勵(lì)作用下測(cè)得的電流-電壓(1-V)曲線。
[0026]圖6顯示為Sb36.8Te55.2Ci^@變材料應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器中，所形成的器件單元經(jīng)過(guò)一次SET-RESET循環(huán)后的窗口特征曲線(即R-V曲線)，脈沖寬度為100ns。
[0027]圖7 顯示為 Sb2Te3>Sb37.6Te56.4Cr6,Sb36.8Te55.2CrsR Sb 35.21^52.8&12薄膜材料的方塊電阻與退火溫度的關(guān)系曲線，其中薄膜厚度為50nm。
[0028]圖8 顯示為 Sb37.6Te56.4Cr6、Sb36.8Te55.2CivS Sb 35.21^52.8012薄膜材料的數(shù)據(jù)保持力擬合關(guān)系曲線，其中薄膜厚度為50nm。
[0029]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0030]I下電極層
[0031]2相變材料層
[0032]3上電極層
[0033]4引出電極
【具體實(shí)施方式】
[0034]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。
[0035]請(qǐng)參閱圖1至圖8。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)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0036]實(shí)施例一
[0037]如圖1所示，顯示為本發(fā)明的相變存儲(chǔ)器單元的結(jié)構(gòu)示意圖，所述相變存儲(chǔ)器單元包括下電極層1、上電極層3及位于所述下電極層I和上電極層3之間的相變材料層2 ;所述相變材料層2采用Sb-Te-Cr相變材料，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr1QQ_x_y，其中x、y均指元素的原子百分比，且滿足30〈x〈45，40〈y〈100-X。
[0038]進(jìn)一步的，所述上電極層3上還形成有引出電極4。
[0039]本發(fā)明所述的包含SbxTeyCr1(l(l_x_y相變材料的相變存儲(chǔ)器器件單元的制備過(guò)程具體如下:
[0040]步驟1:請(qǐng)參閱圖2，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子氣相沉積法(AVD)或原子層沉積法(ALD)中任意一種制備下電極層1，本實(shí)施例優(yōu)選采用CVD法制備所述下電極層I。所述下電極層I的材料為單金屬材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一種,或由所述單金屬材料中的任意兩種或多種組合成的合金材料，或所述單金屬材料的氮化物或氧化物。本實(shí)施例中，所述下電極層I的材料優(yōu)選為W。所得W電極的直徑為80nm，高度為200nm。
[0041]步驟2:請(qǐng)參閱圖3，在所述下電極層I上制備相變材料層2，所述相變材料層2采用Sb-Te-Cr相變材料，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr ，其中x、y均指元素的原子百分比，且滿足30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0042]所述相變材料層2的制備方法可采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、低壓化學(xué)氣相沉積法、金屬化合物氣相沉積法、分子束外延法、原子氣相沉積法或原子層沉積法中的任意一種。本實(shí)施例中優(yōu)選為，在W下電極層I上采用磁控濺射法，以Sb2Te3合金靶、及Cr單質(zhì)靶共濺射制備Sb 36.8Te55.2Cr8相變材料層2，工藝參數(shù)為:本底氣壓為I X IQ-5Pa,濺射時(shí)Ar氣氣壓為0.2Pa，濺射功率為Sb2Te3合金靶20W，Cr單質(zhì)靶10W，襯底溫度為25°C，濺射時(shí)間12-13min。所得薄膜厚度約為50nm。
[0043]步驟3:請(qǐng)參閱圖4，在相變材料層2上，采用濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)、金屬化合物氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子氣相沉積法(AVD)或原子層沉積法(ALD)中任一種制備上電極層3。上電極層3的材料為單金屬材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一種，或由所述單金屬材料中的任意兩種或多種組合成的合金材料，或所述單金屬材料的氮化物或氧化物。
[0044]本實(shí)施例中優(yōu)選為，在Sb36.8Te55.2Cr8相變材料層2上采用磁控濺射法制備上電極層3，所述上電極層3的材料優(yōu)選為TiN，工藝參數(shù)為:本底氣壓為l