[發明專利]一種用于低功耗高可靠性相變存儲器的摻氧納米薄膜材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201210302541.0
• 申請日: 2012-08-23
• 公開（公告）號: CN102800807A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 翟繼衛;胡益豐;孫明成
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發明涉及一種微電子技術領域的材料，具體涉及一種用于低功耗高可靠性的摻氧Sb₄Te的納米相變薄膜材料。

背景技術

相變存儲器（PCRAM）是利用材料晶態-非晶態轉換從而實現信息存儲的一種新型非揮發性存儲器。它具有讀取速度快、穩定性強、功耗低、存儲密度高、與傳統的CMOS工藝兼容等優點，因而受到越來越多的研究者的關注（D.H.Kang等，Applied?Physics?Letter,100,063508,2012）。當相變材料處于非晶態時具有高電阻，晶態時具有低電阻，利用電脈沖產生的焦耳熱實現高阻態與低阻態之間的重復轉換，達到信息存儲的目的。

與傳統的Ge₂Sb₂Te₅相變材料相比，Sb-Te合金具有更快的相變速度，尤其是Sb富余的Sb-Te合金具有超高的相變速度，使其具有成為超高速PCRAM用相變材料的巨大潛力(X.LLi等，Journal?of?Applied?Physics,110,094318,2011)。然而Sb-Te合金也存在自身的一些缺點，那就是穩定性不高。例如純的Sb₄Te合金的晶化溫度為120°C左右，晶化激活能只有1.066eV，其薄膜材料將數據保持10年的溫度只有29°C，在更高的溫度下數據保持能力會急劇下降，因而無法滿足實際應用的需要。

通過在相變材料中摻入適量的N原子或O原子可以減小晶粒尺寸，增加晶界數量，從而阻止相變材料的晶化，提高晶化溫度，增加晶態電阻。Liubo等研究了在Ge₂Sb₂Te₅中摻入N原子和O原子，結果表明生成的Ge的氮化物和氧化物會阻止晶粒的長大，從而提高Ge₂Sb₂Te₅的晶化溫度(B.Liu等，Thin?Solid?Films，49-55,478,2005)。Yin等在Sb₂Te₃中摻入N原子，不但提高了Sb₂Te₃的熱穩定性，而且降低了其RESET過程的操作功耗(Y.You等，Journal?of?Applied?Physics,102,064503，2007)。

發明內容

本發明的目的在于克服Sb₄Te合金穩定性不高的缺點，提供一種能夠提高相變材料穩定性，同時降低其操作功耗的摻氧Sb₄Te納米相變薄膜材料及其制備和應用。

與純的Sb₄Te合金相比，本發明的摻氧的Sb₄Te合金較好的解決了Sb₄Te材料的缺點和不足。通過摻入不同的氧原子，使Sb₄Te的晶化溫度有了明顯的提高，數據保持能力得到加強，因而提高了其穩定性。同時通過晶態電阻的提高，使得其RESET功耗降低了。通過摻氧，使Sb₄Te合金成為了一種高速、高穩定性、低功耗的相變材料，從而具有較好的市場應用前景。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明采用如下的技術方案：

一種摻氧Sb₄Te納米相變薄膜材料，其化學組成符合化學通式STOx，其中ST代表Sb₄Te，x=1、2或3。上述STOx中O代表氧原子；x代表氧氣流量值，其單位為sccm。

上述可以固定濺射過程中氬氣和氧氣的總流量為30sccm，則STOx可表示為STO1、STO2、STO3。

優選的，所述x優選為2或3。

優選的，所述摻氧Sb₄Te納米相變薄膜材料的總厚度為100-120nm；優選為100nm。

本發明的摻氧Sb₄Te納米相變薄膜材料采用磁控濺射方法制備，通過在射頻濺射沉積Sb₄Te薄膜的過程中同時通入氬氣和氧氣，并在納米量級制備而成。

本發明的摻氧Sb₄Te納米相變薄膜材料的總厚度優選為100nm。根據摻氧量的不同，本發明的摻氧Sb₄Te可簡寫為STOx。如，在濺射過程中保持氬氣和氧氣的總流量為30sccm，其中氧氣流量為x?sccm，氬氣流量為（30-x）sccm；本發明中使用的x為1、2或3。但當未摻氧時，其Sb₄Te結構簡寫為ST。