CN110148668B - Al-Sc-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Al‑Sc‑Sb‑Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Al‑Sc‑Sb‑Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al‑Sc‑Sb‑Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。这种材料可以通过调节材料中四种元素的含量得到不同结晶温度、电阻率和结晶激活能的存储材料，适当调节(AlSc2)x(Sb2Te)y中元素比例，进而可以得到具有更好的热稳定性、更强的数据保持力和更快的结晶速度的相变材料。本发明的(AlSc2)x(Sb2Te)y相变材料制备方法简单，便于精确控制材料成分。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种相变薄膜材料及其制备方法，特别是涉及一种Al-Sc-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法。
背景技术
相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是近年来兴起的一种非挥发半导体存储器。与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有器件尺寸可缩的优越性(纳米级)、高速读取、低功耗，高密度、制造工艺简单等优点，是存储器中被工业界广泛看好的有力竞争者，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，因而其拥有广阔的市场前景。
所述的相变存储器是利用电脉冲产生的焦耳热使相变存储材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间发生可逆相变而实现数据的写入和擦除，数据的读出则通过测量电阻的状态来实现。相变存储器的核心是相变存储介质材料，常用的相变存储材料体系主要是碲基材料，如Ge-Sb-Te、Si-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te等。特别是GST(Ge-Sb-Te)已经广泛应用于相变光盘和相变存储器。但也存在如下问题：1，结晶温度较低，芯片陈列中相邻单元串扰问题严重，面临着数据丢失的危险，制约了其应用领域；2，热稳定性不好，数据保持力得不到保证；3，相变速度有待进一步提高，有研究表明基于GST的相变存储器实现稳定RESET操作的电脉冲至少为500纳秒，无法满足动态随机存储器的速度要求。这需要探索具有更快相变速度的存储材料。
因而，如何提供一种热稳定性好，数据保持力强，相变速度快，且与CMOS工艺兼容的相变薄膜材料，是当前技术领域需要解决的课题。
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Al-Sc-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储材料表现出的热稳定性和数据保持能力差、相变速度慢的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种Al-Sc-Sb-Te相变材料，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
作为本发明Al-Sc-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学式(AlSc2)x(Sb2Te)y中，0.11≤x≤0.19，0.81≤y≤0.89。
作为本发明Al-Sc-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
作为本发明Al-Sc-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
作为本发明Al-Sc-Sb-Te相变材料的一种优化的方案，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm～200nm之间。
本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括上述任一方案所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料。
本发明另外再提供一种相变存储器单元的制备方法，所述制备方法至少包括：
1)制备下电极层；
2)在所述下电极层上制备相变材料层，所述相变材料层包括上述任一方案所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料；
3)在所述相变材料层上制备上电极层。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或者电子束蒸镀法制备所述Al-Sc-Sb-Te相变材料。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，按照所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式(AlSc2)x(Sb2Te)y，采用AlSc2合金靶和Sb2Te合金靶共溅射制备所述Al-Sc-Sb-Te相变材料。
作为本发明相变存储器单元的制备方法的一种优化的方案，采用所述AlSc2合金靶和所述Sb2Te合金靶共溅射过程中，本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射压强介于0.40Pa～0.45Pa之间，溅射温度包含室温，溅射时间介于10～30分钟之间。
如上所述，本发明的Al-Sc-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明所提供的Al-Sc-Sb-Te系列相变材料可以通过外部电脉冲来实现可逆相变，相变前后有明显的高低阻态之分，差值较大，便于外部电路轻松地读取“0”或“1”状态，是较为理想的相变存储材料。
2、本发明通过调节四种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点、结晶速率和结晶前后电阻比率的存储材料。因而该Al-Sc-Sb-Te系列相变材料可调性非常强，有利于优化相变材料各方面性能。其中，铝、钪、锑、碲能形成Al-Sc、Al-Te、Sc-Te和Sb-Te稳定相，材料比较稳定，不容易发生分相。因此，本发明所述的Al-Sc-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST相比，具有更好的热稳定性，更快的结晶速度，更强的数据保持力。
3、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。
4、本发明提供相变存储材料应用到相变存储器中，使得相变存储器具有数据保持力强、擦写速度快，电学性能稳定等优点。
附图说明
图1为本发明实施例一中不同AlSc2含量的Al-Sc-Sb-Te的电阻-温度关系图。
图2为本发明实施例一中不同AlSc2含量的Al-Sc-Sb-Te的数据保持能力计算结果图。
图3为本发明实施例二中相变存储器单元的其中一种结构示意图。
图4本发明实施例二中AlSc2含量为(AlSc2)0.17(Sb2Te)0.83相变存储器的电阻-电压关系图。
图5本发明实施例二中AlSc2含量为(AlSc2)0.17(Sb2Te)0.83相变存储器的疲劳性能图。
元件标号说明
1 相变存储器单元
11 下电极层
12 相变材料层
13 过渡层
14 上电极层
15 绝缘介质层
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。
请参阅附图。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。
实施例一
本实施例提供一种Al-Sc-Sb-Te相变材料，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
作为示例，述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学式(AlSc2)x(Sb2Te)y中，0.11≤x≤0.19，0.81≤y≤0.89。更为详细地，所述相变材料通式(AlSc2)x(Sb2Te)y中具体的组分可以为(AlSc2)0.11(Sb2Te)0.89，(AlSc2)0.15(Sb2Te)0.85，(AlSc2)0.17(Sb2Te)0.83和(AlSc2)0.19(Sb2Te)0.81，误差范围为0.6mol％。所述材料体系通过调节元素之间比例可获得不同的结晶温度、电阻率和结晶激活能。
作为示例，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
作为示例，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
作为示例，所述Al-Sc-Sb-Te为相变薄膜材料，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm～200nm之间。例如，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的厚度可以是50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、150nm、180nm、200nm等等。本实施例中，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的厚度为60nm。
在所述Al-Sc-Sb-Te相变材料中，铝、钪、锑、碲能形成Al-Sc、Al-Te、Sc-Te和Sb-Te稳定相，材料比较稳定，不容易发生分相。因此，本发明所述的Al-Sc-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST相比，具有更好的热稳定性，更快的结晶速度，更强的数据保持力。
图1为所述的相变存储材料Al-Sc-Sb-Te的电阻-温度关系图。从图中可以看出，相变存储材料Al-Sc-Sb-Te的结晶温度可以调节在160-220℃之间，较GST(约140℃)高。相变存储材料的结晶温度随着铝、钪含量的增大而升高。因而通过调节AlSc2的含量可以方便控制相变存储材料Al-Sc-Sb-Te的结晶温度。
如图3所示，Al-Sc-Sb-Te的10年数据保持温度随着AlSc2含量的增加而升高。(AlSc2)0.15(Sb2Te)0.8510年数据保持温度为101度，(AlSc2)0.17(Sb2Te)0.82的10年数据保持温度为108度左右。Al-Sc-Sb-Te材料的数据保持力明显比GST好。同时可以看出，Al-Sc-Sb-Te材料体系的热稳定性和数据保持力可以通过调节AlSc2的含量来进行优化。
实施例二
本实施例提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括实施例一提供的所述Al-Sc-Sb-Te相变材料，即所述Al-Sc-Sb-Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
需要说明的是，实施例一中的Al-Sc-Sb-Te相变薄膜材料，可以用于垂直结构的相变存储单元，如图3所示，所述相变存储单元1包括下电极层11、本发明所提供的Al-Sc-Sb-Te相变材料层12、过渡层13、上电极层14及绝缘介质层15。本发明所提供的Al-Sc-Sb-Te相变材料层12作为存储介质，是该相变存储器单元内的核心。所述下电极层11和上电极层14可以用Al,Ti，W，石墨，TiN，Cu，TiW或其他导电材料。所述过渡层13可以为TiN、TaN等，厚度约为20纳米。所述绝缘介质层15可以为SiO2、Si3N4材料等。
需要进一步说明的是，本发明所提供的Al-Sc-Sb-Te相变薄膜材料不局限用于图3所示的垂直相变存储器结构，凡是用于相变存储器的各种单元结构(如横向结构)都可以使用，包括利用本发明提供的Al-Sc-Sb-Te相变薄膜材料的晶态和非晶态之间的电阻差异来实现存储的其他功能器件。
另外，所述上电极层14上还形成有引出电极，通过所述引出电极可以把所述上电极层、所述下电极层通与器件单元的控制开关、驱动电路及***电路集成。
将所述相变存储材料Al-Sc-Sb-Te制备成如图3所示的存储器单元，经测试得到该相变存储器的电阻-电压关系，如图4所示。在施加电脉冲之下，所述相变存储器实现可逆相变，且RESET电压(由低阻返回到高阻所对应的电压)较低。例如在300纳秒的电脉冲下，可以得到相变存储器分别在1.5和2.7V实现“擦”(高阻变低阻)和“写”(低阻变高阻)操作。而在相变速度方面，该相变存储器在20纳秒的电脉冲下可以使相变存储器完成“擦写窗口”，远低于GST相变存储器通常报道的500纳秒的“擦写窗口”。因此，所述相变存储器比GST相变存储器在器件操作速度方面有明显的优势。如图5所示，该器件无疲劳地反复擦写次数达到1×105次，且高低电阻之比达到1000。
实施例三
本发明还提供一种Al-Sc-Sb-Te相变存储器单元的制备方法，可以制备实施例二中的相变存储器单元，所述制备方法至少包括：
1)制备下电极层；
2)在所述下电极层上制备相变材料层，所述相变材料层包括实施例一中所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料；
3)在所述相变材料上制备上电极层。
作为示例，可以采用，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等等来制备所述下电极层。所述下电极层的材料包括：Al，Ti，W，石墨，TiN，Cu，TiW中的一种。在本实施例中，所述下电极层11的材料优选为W。
作为示例，可以采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或电子束蒸镀法等工艺来制备所述Al-Sc-Sb-Te相变材料。这些制备方法工艺简单，便于精确控制相变材料的成分。
进一步地，按照所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式(AlSc2)x(Sb2Te)y，采用AlSc2合金靶和Sb2Te合金靶共溅射制备所述Al-Sc-Sb-Te相变材料。
更进一步地，采用所述AlSc2合金靶和所述Sb2Te合金靶共溅射过程中，本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射压强介于0.40Pa～0.45Pa之间，溅射温度包含室温，溅射时间介于10～30分钟之间。
所述相变材料层制备于所述下电极层上，所述相变材料层包括组分通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y的相变材料，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
所述x、y、z可进一步缩小为：0.11≤x≤0.19，0.81≤y≤0.89，所述相变材料(AlSc2)x(Sb2Te)y具有更好的热稳定性，更强的数据保持力，更快的结晶速度等优势。
作为示例，可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法制备所述上电极层。所述上电极层的材料包括：Al，Ti，W，石墨，TiN，Cu，TiW中的一种。在本实施例中，所述上电极层的材料优选为TiN。
作为示例，所述制备方法还包括在所述上电极层上形成引出电极的步骤，所述引出电极的材料包括W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu或Ni中任一种，或其任意两种或多种组合成的合金材料。在本实施例中，所述引出电极的材料优选为Al。
综上所述，本发明提供一种Al-Sc-Sb-Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。与一般的存储材料相比，本发明的相变材料热稳定性好，数据保持能力强，结晶速度快，物理性能可调。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。使用所述相变存储材料Al-Sc-Sb-Te制备成的相变存储器，具有操作速度快、电学性能稳定等优点。
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 (6)
1.一种Al-Sc-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料包括铝、钪、锑、碲四种元素，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学通式为(AlSc2)x(Sb2Te)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y=1；所述Al-Sc-Sb-Te相变材料是通过AlSc2合金靶和Sb2Te合金靶共溅射制备，其中本底真空度小于3.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射压强介于0.40Pa~0.45Pa之间，溅射温度包含室温，溅射时间介于10~30分钟之间，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的化学式(AlSc2)x(Sb2Te)y中，0.11≤x≤0.19，0.81≤y≤0.89，通过调节AlSc2的含量控制Al-Sc-Sb-Te相变材料的性能。
2.根据权利要求1所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲信号操作下能够实现高低阻值的可逆转换，且在没有电脉冲信号操作下阻值保持不变。
3.根据权利要求1所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Al-Sc-Sb-Te相变材料在电脉冲作用下存在至少两个稳定的电阻态。
4.根据权利要求1所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料，其特征在于：所述Al-Sc-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，所述Al-Sc-Sb-Te相变材料的厚度介于50nm~200nm之间。
5.一种相变存储器单元，其特征在于，所述相变存储器单元至少包括下电极层、上电极层以及位于所述下电极层与所述上电极层之间的相变材料层，所述相变材料层包括如权利要求1~4任一项所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料。
6.一种相变存储器单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
制备下电极层；
在所述下电极层上制备相变材料层，所述相变材料层包括如权利要求1~4任一项所述的Al-Sc-Sb-Te相变材料；
在所述相变材料层上制备上电极层。
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