[發明專利]一種相變材料、相變存儲單元及其制備方法

在審

• 申請號: 202010907768.2
• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112133824A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 宋志棠;宋三年;薛媛;王若冰
• 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;H01L27/24
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所(普通合伙) 31233
• 代理人: 魏峯;黃志達

本發明涉及一種相變材料、相變存儲單元及其制備方法。該相變材料的化學式為Ta_aIn_bSb_cTe_d。該單元包括下電極層，上電極層以及位于所述下電極層與所述上電極層之間的相變材料層。該單元的制備方法為：制備下電極層；制備相變材料層于下電極層上；制備上電極層于相變材料層上。該相變材料具有晶粒小、相變速度快、熱穩定性突出、數據保持能力強、循環壽命長、成品率高等特點。

技術領域

本發明屬于微電子領域，特別涉及一種相變材料、相變存儲單元及其制備方法。

背景技術

相變存儲器(PCM)具有非易失性、微縮性好、可三維集成、讀寫速度快、功耗低、循環壽命長、與CMOS工藝兼容和抗輻照性能優異等優點，成為新型存儲技術中最有力的競爭者，有望成為下一代非揮發存儲器的主流存儲技術。

相變存儲器的原理是基于相變材料在電脈沖信號操作下高、低電阻之間的可逆轉換來實現“0”和“1”的存儲。即在非晶態時相變材料表現出較高的電阻值，而在晶態時則表現出低的電阻值。相變材料是相變存儲器的核心。相變材料的性能決定了相變存儲器的性能。目前最典型的相變材料是Ge₂Sb₂Te₅，該材料具有循環壽命長、微縮性好的特點，但是該材料存在速度慢、功耗大，非晶態熱穩定性差的問題。尋找具有更快相變速度、更低功耗和更好熱穩定性的相變材料依然是相變存儲器發展的關鍵。Sb₂Te₃具有相變速度快的特點，但該材料的結晶溫度較低，數據保持力和熱穩定性較差，無法滿足相變存儲器的應用要求。此外，在相變存儲器操作過程中，多次反復的高溫寫擦操作會導致Sb和Te元素的遷移，造成材料內部成分偏析，同時較大的晶粒使得器件功耗增加，影響器件的壽命。因此，如何提高其非晶熱穩定性、減小晶粒尺寸并防止元素擴散就成了急需解決的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種相變材料、相變存儲單元及其制備方法，以克服現有技術中相變材料存在的結晶溫度較低、熱穩定性差、相變速度慢、晶粒尺寸大、疲勞性能差，以及無法滿足替代動態隨機存儲器性能要求的缺陷。

本發明提供一種相變材料，所述材料的化學式為Ta_aIn_bSb_cTe_d，其中，1≤a≤15，0.5≤b≤10，1/3≤c/d≤1，a+b+c+d＝100。

所述a、b、c、d均指元素的原子百分比。

所述a為2～15，b為2～10，c/d為1/2～1，進一步優選：3≤a≤15，2≤b≤10，7/12≤c/d≤1。

所述材料的化學式為Ta_8.93In_9.14Sb₃₈Te_43.93，Ta_11.55In_9.33Sb_36.65Te_42.47，Ta_14.67In_9.51Sb_35.01Te_40.81。

本發明還提供一種相變材料的制備方法，所述材料采用磁控濺射法、化學氣相沉積法、原子層沉積法或者電子束蒸鍍法制備而成。

所述磁控濺射法是采用單質靶共濺射制備或者采用合金靶濺射制備所述相變材料。例如采用Ta單質靶、In-Sb₂Te₃合金靶共濺射制備所述相變材料，或者Ta單質靶、In單質靶、Sb單質靶及Te單質靶四靶共濺射制備所述相變材料，或者采用包含鉭元素、銦元素、銻元素及碲元素的合金耙進行單耙濺射制備所述相變材料；其中，合金靶中鉭、銦、銻及碲四種元素的比例預先配置好；合金靶可以采用將各元素的原材料進行物理混合并燒結得到，也可以化學合成得到。相對于多靶濺射，單靶濺射的工藝更容易控制。