[發(fā)明專利]一種用于相變存儲器的富銻高速相變材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210335321.8
• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN102800808A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋志棠;吳良才;彭程;饒峰;朱敏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域的金屬元素?fù)诫s的相變材料，尤其涉及一種用于相變存儲器的富銻高速相變材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

相變存儲技術(shù)是一種新興的大容量存儲技術(shù)，它以高速、高密度、低壓、低功耗和良好的疲勞特性成為可替代現(xiàn)有非易失性存儲技術(shù)的主力軍。近年來，關(guān)于相變存儲器（PCRAM）的研究成為科學(xué)界的一大熱點。PCRAM的工作原理很簡單，它利用相變材料在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)所表現(xiàn)出的巨大電阻差值來實現(xiàn)“0”和“1”的存儲。雖然相變材料的這種性能早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但是由于技術(shù)條件的限制，相變存儲技術(shù)一直沒能體現(xiàn)出競爭優(yōu)勢，直到最近十來年，微電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得相變存儲器的優(yōu)勢逐漸明顯，它可以突破傳統(tǒng)COMS存儲器的物理極限的限制，在納米尺度進(jìn)行穩(wěn)定的相變操作，表現(xiàn)出強大的應(yīng)用前景。最近，英特爾公司已經(jīng)在45nm節(jié)點上完成了PCRAM芯片的量產(chǎn)，并且和DRAM集成在一起作為新的內(nèi)存。韓國三星公司也將在22nm節(jié)點上進(jìn)行PCRAM量產(chǎn)。可見，PCRAM技術(shù)作為主流存儲技術(shù)的趨勢越發(fā)明顯。

相變材料是PCRAM工作的核心部分，它幾乎決定了PCRAM的所有特性，所以對相變材料的研究自然是不可或缺的。相變材料中，三元系Ge-Sb-Te材料中的Ge₂Sb₂Te₅、二元系Ge-Te材料中的GeTe都是典型的相變材料，具有良好的綜合性能。但在應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，Ge₂Sb₂Te₅材料在相變時有較大的密度變化，結(jié)晶速度不佳，一般為幾百納秒（ns），另外其結(jié)晶溫度較低，為160℃左右，十年保持溫度為80℃左右，另外操作電壓較高，這些缺點嚴(yán)重阻礙了此材料在相變存儲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。GeTe結(jié)晶溫度高于Ge₂Sb₂Te₅，相變前后高低電阻差距大，電流操作時速度可以達(dá)到幾個ns，但GeTe熔點高達(dá)720℃左右，其操作功耗甚至大于Ge₂Sb₂Te₅，數(shù)據(jù)保持力也不能滿足工業(yè)界和軍事航天領(lǐng)域的要求。綜上所述，尋找一種相變速度快，熔點低，而且具有較好數(shù)據(jù)保持力的相變材料是PCRAM發(fā)展的方向。二元材料Sb₂Te在Sb-Te二元相圖中屬于δ相，此相具有穩(wěn)定的六方晶體結(jié)構(gòu)，晶態(tài)的Sb₂Te材料由Sb₂Te₃和Sb₂層相互疊加而成，其中Sb₂層可以加快材料結(jié)晶的速度。此外，δ相的Sb-Te材料熔點都在540℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Ge₂Sb₂Te₅，相變前后電阻變化高達(dá)4個數(shù)量級。然而，Sb₂Te唯一不足是它的結(jié)晶溫度較低，約為145℃。所以Sb₂Te并不能完全滿足應(yīng)用的需要，特別是針對某些高溫環(huán)境的應(yīng)用。要想彌補這個缺陷，摻雜其他元素進(jìn)行材料改性不失為解決這一問題的一種方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺點或不足，提供一種綜合性能優(yōu)異、與COMS工藝兼容的相變材料。

本發(fā)明第一方面提供一種用于相變存儲器的富銻高速相變材料，其化學(xué)通式為：A_x(Sb₂Te)_1-x，x為原子百分比，其中A選自W、Ti、Ta或Mn。

優(yōu)選的，0＜x＜0.5。

優(yōu)選的，0＜x≤0.12。

優(yōu)選的，A選自W。

本發(fā)明的相變存儲材料A_x(Sb₂Te)_1-x，材料中的A元素可以為W、Ti、Ta、Mn等金屬元素，可以達(dá)到同樣的技術(shù)效果。

優(yōu)選的，本發(fā)明所提供的相變材料為單相的W-Sb-Te材料。

本發(fā)明所提供的相變材料與通常的GeSbTe材料類似，有利于實現(xiàn)高密度存儲。其在外部電驅(qū)動納秒級脈沖作用下具有可逆相變的材料。所述的W-Sb-Te相變材料的相變速度是GeSbTe材料的3倍，有利于實現(xiàn)高速相變存儲器。該相變材料利用W與Te所形成的化學(xué)鍵來提高其結(jié)晶溫度及非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性，固定Sb-Te的元素比例，調(diào)節(jié)W的含量，可以得到不同結(jié)晶溫度、不同結(jié)晶激活能的低熔點相變存儲材料。