CN103050624B - 用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料。该Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的通式为GaxGeySbzTew，其中0<x≤16，23≤y≤28，26≤z≤31，30≤w≤40。该Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料具有结晶温度高，热稳定性好，数据保持力强等特点，可以应用在汽车电子等高温领域。

Description

用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料。
背景技术
相变存储器（PCM）是近年来兴起的一种非挥发性半导体存储器。与传统的存储器相比，它具有存储单元尺寸小、高读写速度、低功耗、循环寿命长、以及优异的抗辐照性能等优点。基于上述优点，相变存储器不仅能够取代现有的存储器，而且还在普通存储器达不到的一些领域(诸如空间、航天技术和军事等领域)产生新的应用。相变存储器是新型存储技术中有力的竞争者，有望替代闪存（Flash技术）成为下一代非挥发存储器的主流存储技术，因而拥有广阔的市场前景。
相变存储器的应用基于其中的相变材料在电脉冲信号操作下高、低电阻之间的可逆转换来实现“0”和“1”的存储。
相变存储器的核心是相变存储介质材料，传统的相变材料主要是Ge2Sb2Te5，其已经广泛地应用于相变光盘和相变存储器中。但是现有以Ge2Sb2Te5为相变材料的相变存储器，依然存在一些问题：1）结晶温度较低，面临着数据丢失的危险；2）热稳定性不好，数据保持力得不到保证，其能够提供10年可靠数据保存的工作温度仅为80度，严重制约了其应用领域。例如在汽车电子等领域，其对存储器件可服役的温度要高于125度。因此寻求一种高数据保持力，具有宽温域工作范围的相变薄膜材料，是当前急需解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数据保持能力强、且物理性能可调的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其通式为GaxGeySbzTew，其中0<x≤16，23≤y≤28，26≤z≤31，30≤w≤40。
其中，优选通式为Ga6Ge28Sb26Te40。
优选地，所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、及原子层沉积法中的一种形成。
优选地，所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用GaSb和GST合金靶共溅射形成；更为优选地，采用GaSb和Ge3Sb2Te5合金靶共溅射形成。
如上所述，本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，具有以下有益效果：数据保持能力强，热稳定性好，结晶速度快，物理性能可调，可以应用在汽车电子等高温领域；且材料制备工艺简单，便于精确控制材料成分和后续工艺；使用本发明的Ga-Ge-Sb-Te材料制备成的相变存储器可以在电压脉冲作用下实现可逆相变，且电学性能稳定。
附图说明
图1显示为不同组分的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的电阻-温度关系图。
图2显示为不同组分的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的数据保持能力计算结果图。
图3显示为组分为Ga6Ge28Sb26Te40薄膜材料制备形成的相变存储器的电流-电压关系图。
图4显示为组分为Ga6Ge28Sb26Te40薄膜材料制备形成的相变存储器的电阻-电压关系图。
图5显示为组分为Ga6Ge28Sb26Te40薄膜材料制备形成的相变存储器的疲劳性能图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的通式为GaxGeySbzTew，其中0<x≤16，23≤y≤28，26≤z≤31，30≤w≤40。
其中，本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料通过调节元素之间比例可获得不同的结晶温度、熔点和结晶激活能。
其中，本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，而在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变；在外部电脉冲下存在2个及其以上稳定的电阻态；材料10年的数据保持力温度高于135°C；尤其是通式为Ga6Ge28Sb26Te40的薄膜材料。
其中，本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料可采用多种方法形成，例如，溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、原子层沉积法等
优选地，可采用GaSb和GST合金靶共溅射的方法制备，其元素比例可以通过调节不同靶材对应的功率获得。
例如，GaSb和Ge3Sb2Te5合金靶均采用射频电源，GaSb的功率在9W至20W之间，Ge3Sb2Te5的功率为25W；所述溅射时间为30分钟，由此来共溅射形成本发明的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料。
具体地，采用GaSb靶和Ge3Sb2Te5合金靶两靶磁控共溅射的工艺参数包括：本底真空度小于2×10-4帕斯卡，溅射气压为0.18帕斯卡至0.25帕斯卡之间，溅射气体为氩，温度为室温，施加在GaSb靶上的射频电源功率为9瓦至20瓦，施加在Ge3Sb2Te5靶上的射频电源功率固定为25瓦，溅射时间为30分钟，沉积薄膜厚度为195纳米至220纳米。
本发明提供的相变存储材料的制备方法，工艺简单，便于精确控制材料成分和后续工艺。
为评估本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的相变特性，包括结晶温度、热稳定性，数据保持能力，以及评估相变存储器的性能，对半导体衬底上制备的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料和使用本发明的Ga-Ge-Sb-Te作为存储介质的相变存储单元进行的各项测试，测试结果如下：
图1为本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的电阻-温度关系图。从图中可以看出，Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的结晶温度可以调节在240-325°C之间，较GST材料(约160°C)有显著的提高。不同Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的高低阻值没有发生太大的变化，但结晶温度随着镓含量的增大而升高，因此可以通过调节镓的含量来控制Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的结晶温度。
如图2所示，Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的10年数据保持温度随着Ga含量的增加先升高后减小。可以看出Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的10年数据保持力较比GST材料有很大的提高，其中，镓含量为13%时Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的数据保持力最好，能达到214度。同时可以看出，Ga-Ge-Sb-Te材料体系的热稳定性和数据保持力可以通过调节镓的含量来进行优化。
将Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料制备成相变存储单元器件，经测试得到该相变存储器的电流-电压关系如图3所示。由于初始制备的Ga-Ge-Sb-Te薄膜为高阻值的非晶态，当DC直流加载时，器件出现了SET过程的阈值电压。然后再次施加直流时，器件呈现出近似线性欧姆类型的电流-电压关系。
图4为Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料制备成的相变存储单元器件的电压-电阻曲线。在施加电脉冲之下，所述相变存储器实现可逆相变。测试所用的电压脉冲为100纳秒和500纳秒，在100纳秒的电脉冲下，可以得到相变存储器分别在1.9和4.1V实现“擦”(高阻变低阻)和“写”(低阻变高阻)操作；电压脉冲为500纳秒时这两个操作电压分别为1.5和3.7V。
如图5所示，图4所示的相变存储器无疲劳地反复擦写次数达到4.1×105次，高低阻态均具有稳定的阻值，保证了器件应用所需的稳定性。
综上所述，与一般的存储材料相比，本发明的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，可以通过调节四种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点和结晶激活能的存储材料，且该体系相变材料相变电阻差值大，因而该Ga-Ge-Sb-Te系列相变材料具有非常强的可调性，可以根据实际所需提供特定的性能。其中，Ga6Ge28Sb26Te40具有高的数据保持力，将其应用于相变存储器中，器件单元具有较快的操作速度和较好的循环次数，可见其是用于制备相变存储器的合适存储介质材料。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料的通式为Ga6Ge28Sb26Te40。
2.根据权利要求1所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用溅射法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、及原子层沉积法中的一种形成。
3.根据权利要求2所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用GaSb和GST合金靶共溅射形成。
4.根据权利要求3所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料优选采用GaSb和Ge3Sb2Te5合金靶共溅射形成。
5.根据权利要求4所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料优选采用功率在9W至20W之间的GaSb合金靶和功率为25W的Ge3Sb2Te5合金靶共溅射形成。
6.根据权利要求5所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用GaSb和Ge3Sb2Te5合金靶在溅射气压为0.18帕斯卡至0.25帕斯卡之间共溅射形成。
7.根据权利要求6所述的用于相变存储器的Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料，其特征在于：所述Ga-Ge-Sb-Te薄膜材料采用GaSb和Ge3Sb2Te5合金靶共溅射30分钟形成。
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