CN110635033A - 一种B-Sb-Te相变材料、相变存储单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种B‑Sb‑Te相变材料、相变存储单元及其制备方法。所述相变材料包含硼、锑、碲三种元素，其化学通式为Bx(Sb2Te3)y。所述相变存储单元至少包括底电极层、顶电极层及位于两者之间的相变材料层，所述相变材料层采用B‑Sb‑Te相变材料。制备方法为：制备底电极层；在底电极层上采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或电子束蒸镀法制备相变材料层；在相变材料层上制备顶电极层。本发明具有较好的热稳定性、结晶速度、数据保持力、密度变化率、低阻态稳定性和电性能，通过调节元素比例，可以得到热稳定性、数据保持力、结晶速度、密度变化率、晶粒尺寸更加优化的相变材料，其在相变或加工过程中不易挥发。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型相变存储材料及其制备方法，具体涉及一种B-Sb-Te相变材料、相变存储单元及其制备方法，属于微电子技术领域。
背景技术
相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是不同于现有硅基电荷存储器的一种基于电阻存储的新型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，它具有可缩性好、高速擦写、低功耗，高密度、制造工艺简单等诸多优点，有望成为下一代非挥发主流存储技术之一，具有广阔的应用潜力和市场前景。
相变存储器的原理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Ge-Sb-Te(用缩写GST表示)体系材料，但仍存在如下问题：1、结晶温度较低，面临数据丢失的危险，制约了其应用领域；2、晶粒尺寸较大，不利于降低器件功耗；3、热稳定性不好，数据保持力得不到保证；4、相变前后体积变化太大，不利于器件的可靠性；5、相变速度有待进一步提高，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50纳秒，无法满足更快的速度要求。
因此，寻找热稳定性好、数据保持力强、相变速度快且与CMOS工艺兼容的新型相变存储材料，是当前PCM技术领域需要解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决现有技术中相变存储材料存在的热稳定性和数据保持能力差、相变速度慢等问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种B-Sb-Te相变材料，其特征在于，包含硼、锑、碲三种元素，其化学通式为Bx(Sb2Te3)y。
优选地，所述化学通式中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
优选地，所述B-Sb-Te相变材料在电脉冲操作，可在非晶态和晶态之间发生可逆相变，以达到高低阻值相互转换存储信息的目的，且在没有电脉冲操作下，该B-Sb-Te相变材料的阻值保持不变。
优选地，所述B-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，其中高阻态的阻值在105-107欧姆之间，低阻态阻值在103-105欧姆之间。
优选地，所述B-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，其厚度介于20nm～200nm之间。
本发明还提供了一种相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元至少包括底电极层、顶电极层及位于两者之间的相变材料层，所述相变材料层采用上述B-Sb-Te相变材料。
优选地，所述顶电极层与相变材料层之间设有过渡层。
优选地，所述底电极层的外缘设有绝缘介质层。
本发明还提供了上述相变存储单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：制备底电极层；
步骤2)：在底电极层上采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或电子束蒸镀法制备相变材料层；
步骤3)：在相变材料层上制备顶电极层。
优选地，所述步骤2)中的相变材料层采用B靶和Sb2Te3合金靶共溅射制得，具体工艺参数为：本底真空度小于1.0×10-4Pa，溅射压强介于0.20Pa～0.30Pa之间，溅射温度为室温，溅射时间介于10～20分钟之间。
本发明制得的Bx(Sb2Te3)y材料中的B熔点高、硬度大，以固态形式存在，在相变或加工过程中不易挥发，克服了以往O、N等掺杂的易挥发问题，从而便于工艺加工以及材料成分和器件性能的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所提供的B-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，高低阻态的阻值差值达到2个数量级。
2、本发明通过调节三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B-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，硼、锑、碲能形成B-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B-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST材料或者O、N等掺杂的相变材料相比，具有更好的热稳定性、更快的结晶速度，更强的数据保持力、更低的密度变化率、更稳定的低阻态。
3、本发明所述的Bx(Sb2Te3)y相变材料制备方法简单，由于B元素以固态形式存在，在相变或加工过程中不易挥发，克服了以往的O、N等元素掺杂的易挥发问题，从而便于工艺加工以及材料成分和器件性能的控制。
4、将本发明提供的相变存储材料应用到相变存储器中，可实现具有高数据保持力、高速擦写、电学性能稳定、低操作电压和功耗、相变前后密度变化小等优点的相变存储器。
附图说明
图1为实施例1中不同B含量的B-Sb-Te的电阻-温度关系特性；
图2为实施例2中相变存储单元的其中一种结构的示意图；
图3为实施例2中B-Sb-Te相变存储单元的可逆擦写曲线。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种B-Sb-Te相变材料，包括硼、锑、碲三种元素，其化学通式为Bx(Sb2Te3)y，其中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
上述B-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。且该B-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。
上述B-Sb-Te为相变薄膜材料，其厚度介于20nm～200nm之间，可以是20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、150nm、180nm或200nm。本实施例中B-Sb-Te相变材料的厚度为60nm。
在B-Sb-Te相变材料中，硼、锑、碲能形成B-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B-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST材料或者O、N等元素掺杂的相变材料相比，具有更好的热稳定性、更快的结晶速度，更强的数据保持力、更低的密度变化率、更稳定的低阻态。
实施例2
如图2所示，为本实施例提供的一种相变存储单元1，其包括底电极层11、顶电极层14及位于两者之间的相变材料层15，所述相变材料层采用B-Sb-Te相变材料。顶电极层14与相变材料层15之间设有过渡层13。底电极层11的外缘设有绝缘介质层12。该相变存储单元为垂直结构。
B-Sb-Te相变材料层15作为存储介质，是该相变存储单元1内的核心。所述底电极层11、顶电极层14采用Al、Ti、W、石墨、TiN、Cu、TiW或其它导电材料。所述过渡层13采用TiN或TaN，其厚度为20nm。所述绝缘介质层12采用SiO2或Si3N4。
本发明所提供的B-Sb-Te相变材料不局限用于图2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B-Sb-Te相变材料的晶态和非晶态之间的电阻差异来实现存储的其它功能器件。
此外，所述顶电极层14上还形成有引出电极，通过引出电极可以将顶电极层14、底电极层11与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成。
上述相变存储单元经测试得到该相变存储器的电阻-电压关系，如图3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100纳秒的电脉冲下，可以得到相变存储器分别在1.6和3.8V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10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50纳秒以上的“擦写窗口”。因此，该相变存储单元比GST相变存储器在器件操作速度方面有明显的优势。
上述B-Sb-Te相变存储单元的制备方法为：
1、制备底电极层11；可以采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化或学气相沉积法(PECVD)等来制备底电极层11；底电极层的材料包括：Al，Ti，W，石墨，TiN，Cu，TiW中的一种。在本实施例中，所述底电极层11的材料优选为W。
2、在底电极层11上制备相变材料层15，相变材料层15采用实施例1中任意一种B-Sb-Te相变材料；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相变材料层15。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B-Sb-Te相变材料的化学通式Bx(Sb2Te3)y，采用B靶和Sb2Te3合金靶共溅射制备B-Sb-Te相变材料。采用B靶和所述Sb2Te3合金靶共溅射过程中，本底真空度小于2.0×10-4Pa，溅射气体包含氩气，溅射压强介于0.20Pa～0.40Pa之间，溅射温度包含室温，溅射时间介于10～30分钟之间。
3、在相变材料层15上制备顶电极层14；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顶电极层14；顶电极层14的材料可采用Al、Ti、W、石墨、TiN、Cu、TiW中的任意一种。在本实施例中，顶电极层14的材料优选为TiN。
4、在顶电极层14上形成引出电极，引出电极的材料可采用W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu和Ni中的任意一种或几种组合成的合金材料。在本实施例中，引出电极的材料优选为Al。
本发明提供的B-Sb-Te相变薄膜材料，与常用的GST材料或者O、N等元素掺杂的相变材料相比，具有更好的热稳定性、更快的结晶速度，更强的数据保持力、更低的密度变化率、更好的低阻态稳定性和电性能。通过适当调节Bx(Sb2Te3)y中元素比例，可以得到热稳定性、数据保持力、结晶速度、密度变化率、晶粒尺寸更加优化的相变材料。本发明提供的Bx(Sb2Te3)y相变材料的制备方法简单，固态B元素不易挥发，便于工艺调节和材料成分的精确控制。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的多种缺点而具高度产业利用价值。
Claims (10)
1.一种B-Sb-Te相变材料，其特征在于，包含硼、锑、碲三种元素，其化学通式为Bx(Sb2Te3)y。
2.如权利要求1所述的B-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述化学通式中，0<x≤1，0<y≤1，且x+y＝1。
3.如权利要求1或2所述的B-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述B-Sb-Te相变材料在电脉冲操作，可在非晶态和晶态之间发生可逆相变，以达到高低阻值相互转换存储信息的目的，且在没有电脉冲操作下，该B-Sb-Te相变材料的阻值保持不变。
4.如权利要求1或2所述的B-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述B-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，其中高阻态的阻值在105-107欧姆之间，低阻态阻值在103-105欧姆之间。
5.如权利要求1或2所述的B-Sb-Te相变材料，其特征在于，所述B-Sb-Te相变材料为相变薄膜材料，其厚度介于20nm～200nm之间。
6.一种相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元至少包括底电极层(11)、顶电极层(14)及位于两者之间的相变材料层(15)，所述相变材料层采用权利要求1-5任意一项所述的B-Sb-Te相变材料。
7.如权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述顶电极层(14)与相变材料层(15)之间设有过渡层(13)。
8.如权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述底电极层(11)的外缘设有绝缘介质层(12)。
9.一种权利要求6所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：制备底电极层(11)；
步骤2)：在底电极层(11)上采用磁控溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法或电子束蒸镀法制备相变材料层(15)；
步骤3)：在相变材料层上制备顶电极层(15)。
10.如权利要求9所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的相变材料层(15)采用B靶和Sb2Te3合金靶共溅射制得，具体工艺参数为：
本底真空度小于1.0×10-4Pa，溅射压强介于0.20Pa～0.30Pa之间，溅射温度为室温，溅射时间介于10～20分钟之间。
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