X10_5Pa，濺射時氣壓為0.2Pa，Ar/N2的氣體流量比例為1:1，濺射功率為20W，襯底溫度為25°C，TiN上電極厚度為17nm。
[0045]步驟4:請參閱圖1，在所述上電極層3上制備引出電極4，采用的方法為濺射法、蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體增強化學(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。然后把上、下電極通過所述引出電極4與器件單元的控制開關(guān)、驅(qū)動電路及外圍電路集成，所采用的加工方法為常規(guī)的半導(dǎo)體工藝；作為引出電極4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。
[0046]本實施例中優(yōu)選為，采用磁控濺射法制備引出電極4，材料為Al，引出電極4薄膜厚度為300nm，采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝刻蝕出引出電極4，與器件單元的控制開關(guān)、驅(qū)動電路和外圍電路集成，從而制備出完整的相變存儲器器件單元。
[0047]下面對上述實施例中的相變存儲器器件單元進(jìn)行電學(xué)性能的測試:
[0048](I)測試器件單元在電流激勵作用下的電流-電壓(1-V)曲線。測試結(jié)果請參見圖5?？梢婋S著電流的增加，電壓值先持續(xù)增加，到某一點時，電壓突然降至很低，隨后繼續(xù)持續(xù)增加。該點即為該器件單元的閾值點，該點處的電壓為閾值電壓，電流為閾值電流。對于基于Sb36.8Te55.2Cr8W所測相變存儲單元，其閾值電壓為0.65V，閾值電流為4 μ A。在閾值點處，相變材料在極短的時間內(nèi)從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，形成低阻的導(dǎo)電通路，從而導(dǎo)致電壓關(guān)降。
[0049](2)測試器件單元電阻與所施加的脈沖電壓的關(guān)系。測試結(jié)果請參見圖6。在寬度為10ns的脈沖作用下，當(dāng)脈沖高度達(dá)到0.6V時，方塊電阻由?16 Ω/ □的高阻態(tài)突降至?14 Ω / 口的低阻態(tài)；當(dāng)脈沖高度達(dá)到2.3V時，方塊電阻又快速升高至?16 Ω / 口的高阻態(tài)。高低阻值差約兩個數(shù)量級，用在存儲器件中足以分辨清楚。
[0050]實施例二
[0051]本實施例與實施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于把實施例一中的Cr單質(zhì)靶濺射功率設(shè)定為8W。其余步驟與實施例一完全相同。當(dāng)Cr單質(zhì)靶濺射功率為8W時，相應(yīng)的相變薄膜材料組分為Sb37.6Te56.4Cr6，相應(yīng)器件的電學(xué)性能亦能達(dá)到相近的效果。
[0052]實施例三
[0053]本實施例與實施例一采用基本相同的技術(shù)方案，不同之處在于把實施例一中的Cr單質(zhì)靶濺射功率設(shè)定為12W。其余步驟與實施例一完全相同。當(dāng)Cr單質(zhì)靶濺射功率為12W時，相應(yīng)的相變薄膜材料組分為Sb35.2Te52.8Cr12，相應(yīng)器件的電學(xué)性能亦能達(dá)到相近的效果。
[0054]實施例四
[0055]本實施例中對上述三種相變材料薄膜的電學(xué)性能進(jìn)行測試，并與未摻雜的Sb2Te3薄膜材料進(jìn)行對比。
[0056]采用5132了63合金靶與Cr單質(zhì)靶共濺射的方法，在S1 2/Si (100)襯底上制備薄膜，制備過程中Sb2Te3合金靶的功率始終為20W，通過調(diào)節(jié)Cr單質(zhì)靶的功率來調(diào)節(jié)薄膜中Cr的含量，所用功率分別為0W、8W、10W及12W，對應(yīng)的相變材料分別為:Sb2Te3、Sb37.6Te56.4Cr6、Sb36.8Te55.2CrjP Sb35.2Te52.8Cr12;灘射時間為12_13min。所得薄膜厚度約為50nm。其他工藝參數(shù)為:本底氣壓為I X 10_5Pa，濺射時Ar氣氣壓為0.2Pa，襯底溫度為25°C。
[0057]對上述實施例中制備的存儲材料薄膜進(jìn)行測試。
[0058]請參見圖7，顯示為使用真空原位加熱系統(tǒng)測得的上述薄膜材料的方塊電阻與退火溫度的關(guān)系曲線。對于Sb2Te3，隨著溫度的增加，方阻值緩慢下降，整個過程中沒有明顯的阻值突變點。且最高方阻約3 X 14 Ω / □，低阻約為13 Ω / 口，高低阻值差僅一個數(shù)量級，在器件中不易被區(qū)分。而對于 Sb37.6Te56.4Cr6、Sb36.8Te55.2CrdP Sb 35.2Te52.8Cr1;^膜材料，隨著溫度的增加，方阻先是緩慢下降，到達(dá)某一臨界溫度段，方阻值突然明顯下降，意味著相變材料由先前的非晶高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑У妥钁B(tài)。這個過程在相變存儲器中可以通過施加電脈沖等外部能量對相變薄膜加熱來實現(xiàn)，同時可以通過施加不同的電脈沖來實現(xiàn)相變薄膜在非晶態(tài)和晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變。對于Sb37.6Te56.4Cr6、Sb36.8Te55.2CrjP Sb 35.2Te52.8Cr12ii膜材料，其非晶態(tài)阻值高出晶態(tài)阻值約兩個數(shù)量級甚至更多，適合用于相變存儲介質(zhì)。由圖7可以看出，隨著Cr含量的增加，結(jié)晶溫度顯著提高，這對于提高熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持力非常有利。
[0059]再請參見圖8，其為上述相變薄膜材料的數(shù)據(jù)保持力擬合曲線。隨著材料中Cr元素含量的增加，Cr摻雜Sb2Te3系列相變材料的數(shù)據(jù)保持能力亦逐漸增強，其中Sb37.6Te56.4Cr6達(dá)到 96.9°C，Sb36 8Te55 2Cr8達(dá)到 120.8°C, Sb 35.2Te52 8Cr12達(dá)到 134.3°C。消費型電子要求非揮發(fā)性存儲器至少能在85°C的條件下保存數(shù)據(jù)十年，汽車電子等工業(yè)電子要求至少120°C保存十年。因此采用合適組分的Sb-Te-Cr相變材料作為存儲介質(zhì)有助于提升存儲器的數(shù)據(jù)保持性能，提高數(shù)據(jù)保持的可靠性，使得器件可以在更惡劣的高溫環(huán)境中使用。對于滿足X:y = 2:3的相變SbxTeyCr1QQ_x_y材料，Cr的原子百分比滿足0〈100-x-y〈25較為合適，其中，優(yōu)選為滿足5〈100-X-y〈15，因為雖然Cr的摻雜比例越高，結(jié)晶溫度越高，但是Cr的摻雜比例越高，相變前后的高低阻值差也越小，例如，Sb35.2Te52.8Cr12M料的相變前后的高低阻值差已經(jīng)約為兩個數(shù)量級，進(jìn)一步提高Cr摻雜含量，高低阻值差將會進(jìn)一步降低，因此，Cr的原子百分比在15以內(nèi)既能滿足相變材料高結(jié)晶溫度的要求，又能滿足易于區(qū)分的要求。
[0060]綜上所述，本發(fā)明的Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲器單元及其制備方法的優(yōu)勢表現(xiàn)在如下方面:
[0061]1、在外部能量的作用下，Sb-Te-Cr相變材料可順利實現(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現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。在Sb2Te3中摻雜Cr后，根據(jù)Cr含量的不同，高低阻值之比不同，優(yōu)化的組分其高低阻態(tài)的阻值比不低于兩個數(shù)量級。
[0062]2、在作為相變存儲器的存儲介質(zhì)時，既可以保證較快的相變速度，又可以提高相變存儲器的熱穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)保持力，同時，優(yōu)化的表面與細(xì)化的晶粒能有效提高相變存儲器的可靠性。
[0063]本發(fā)明中涉及的其他工藝條件為常規(guī)工藝條件，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。
[0064]上述實施例僅例示性說明本發(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，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(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。
【主權(quán)項】
1.一種用于相變存儲器的Sb-Te-Cr相變材料，其特征在于: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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于相變存儲器的Sb-Te-Cr相變材料，其特征在于: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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于相變存儲器的Sb-Te-Cr相變材料，其特征在于:所述SbxTeyCr 1QQ_x_y中，Cr 的原子百分比滿足 5〈100-X-y〈15。
4.一種相變存儲器單元，其特征在于:所述相變存儲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t匕，且滿足 30〈x〈45，40〈y〈100-x。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相變存儲器單元，其特征在于: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。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相變存儲器單元，其特征在于: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。
7.—種相變存儲器單元的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 形成下電極層； 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 ； 在所述相變材料層上形成上電極層； 在所述上電極層上形成引出電極，把所述上電極層、所述下電極層通過所述引出電極與器件單元的控制開關(guān)、驅(qū)動電路及外圍電路集成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的相變存儲器單元的制備方法，其特征在于: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。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的相變存儲器單元的制備方法，其特征在于: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。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種Sb-Te-Cr相變材料、相變存儲器單元及其制備方法，所述Sb-Te-Cr相變材料的化學(xué)通式為SbxTeyCr100-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。本發(fā)明提供的用于相變存儲器的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；其作為相變存儲器的存儲介質(zhì)時，相變存儲單元不僅具有相變速度快、寫操作電流低等優(yōu)點，而且器件的高溫數(shù)據(jù)保持力及可靠性都得到了提高。
【IPC分類】H01L45-00
【公開號】CN104716260
【申請?zhí)枴緾N201510131301
【發(fā)明人】王青, 劉波, 夏洋洋, 張中華, 宋三年, 宋志棠, 封松林
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月24日