[發明專利]摻雜改性的相變材料及含該材料的相變存儲器單元及其制備方法

有效

• 申請號: 200910053119.4
• 申請日: 2009-06-15
• 公開（公告）號: CN101582485A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 劉波;宋志棠;張挺;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C11/56
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及一種相變材料及包含該材料的相變存儲器器件單元及其制備方法，尤其是指可以提高相變存儲器的編程速度、降低器件的編程功耗、提高器件數據保持力的相變材料及包含該材料的相變存儲器器件單元及其制備方法。本發明屬于微納電子技術領域。

背景技術

相變存儲器技術是基于Ovshinsky在20世紀60年代末、70年代初提出的相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態與多晶態之間發生可逆相變，通過分辨非晶態時的高阻與多晶態時的低阻，可以實現信息的寫入、擦除和讀出操作。

相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強震動和抗輻射等優點，被國際半導體工業協會認為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產品和最先成為商用產品的器件。

存儲器的研究一直朝著高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向發展。目前世界上從事相變存儲器研發工作的機構大多數是半導體行業的大公司，他們關注的焦點都集中在如何盡快實現相變存儲器的商業化上，因此相應的研究熱點也就圍繞其器件工藝展開：器件的物理機制研究，包括如何減小器件的操作電流，即降低功耗；器件結構設計和存儲機理研究等；高密度器件陣列的制造工藝研究，包括如何實現器件單元的納米尺度化問題、高密度器件芯片的工藝問題、器件單元的失效問題等。其中器件的編程速度提高與編程功耗降低是非常關鍵和重要的。提高編程速度的有效方法之一是通過對相變材料進行摻雜改性達到縮短相變材料結晶時間的目的，而降低器件功耗的方法有：減小電極與相變材料的接觸面積；提高相變材料的電阻；降低相變材料的熔點；在電極與相變材料之間或相變材料內部添加熱阻層等等。通過相變材料的改性是能夠同時實現縮短相變材料結晶時間、提高結晶溫度和降低相變材料熔點等目的的較簡單易行的方法。這正是本發明的出發點。

Sb₂Se₃存儲材料具有相變速度快、熔點低等優點，在高速、低功耗相變存儲器中具有很好的應用前景，但是Sb₂Se₃存儲材料的缺點是結晶溫度低，用于相變存儲器后，芯片的數據保持力較差，不能滿足實際應用要求。

鑒于此，實有必要提出一種新的摻雜改性的存儲材料以解決上述問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種摻雜改性的相變材料及含該材料的相變存儲器單元及其制備方法，以達到降低器件單元編程功耗、提高器件編程速度和數據保持力的目的。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種摻雜改性的相變材料，其組成表達式為(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中的x是指元素的原子百分比，且滿足：0＜x≤20，Y代表摻雜的元素。

進一步地，所述摻雜的元素Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一種。

該材料可采用濺射法、蒸發法、化學氣相沉積法(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)、低壓化學氣相沉積法(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)中任一種方法制備。

一種包含所述摻雜改性的相變材料的相變存儲器單元，包括下電極層、上電極層以及位于下電極層和上電極層之間的相變材料層，所述相變材料層的材料為(Sb₂Se₃)_100-xY_x，其中0＜x≤20，Y包括Ni、Cr、Bi、As、Ga、In、Ge、Si、Sn、Ag、Al、C、N或O中任一種。

所述下電極層的材料包括：單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種，或由所述單金屬材料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。

所述上電極層的材料包括：單金屬材料W、Pt、Au、Ti、Al、Ag、Cu、Ni中的一種，或由所述單金屬材料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。

一種包含所述摻雜改性的相變材料的相變存儲器單元的制備方法，包括以下步驟：