专利名称：Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>-HfO<sub>2</sub>纳米复合相变材料及其在相变存储器中的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米复合相变材料、制备方法、及作为相变存储器的用途，尤其涉及一种Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料及其在相变存储器中的用途。
背景技术：
相变存储器(C-RAM)是一种新兴的半导体存储器，与目前已有的多种半导体存储技术相比，包括常规的易失性技术，如静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)等， 和非易失性技术，如介电随机存储器(FeRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器(FLASH)等，具有非易失性、循环寿命长(> IO13次)、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照、耐高低温(-55-125 )、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单(能和现有的集成电路工艺相匹配)等优点。相变存储器(C-RAM)以硫系化合物为存储介质，利用电能(热量)使材料在晶态 (低阻)与非晶态(高阻)之间相互转化实现信息的写入和擦除，信息的读出靠测量电阻的变化实现。在C-RAM研发中，常用的材料主要有G%Sb2Ti55、Sb2Te3> GeTe等，其中釙21^3具有相变速度快，功耗低的特点。但这种材料的结晶温度较低，数据保持力和热稳定性不好， 此外，在含Sb与Te元素的相变材料中，多次反复的高温写擦操作会导致材料内部本身的成分偏析，而且Sb或Te向界面处偏析，并与活泼的电极材料反应的现象也被证实是对器件可靠性的极大威胁。因此，如何提高其热稳定性和数据保持力以及防止元素扩散就成了急需解决的问题。为了达到这一目的，通常的做法是对其进行掺杂改性。关于这方面的工作已有大量的文献报道。纳米复合相变材料是一种新型的相变材料，它是指把相变材料与异质材料复合， 通过复合材料各组分间的“取长补短”，弥补单一相变材料的缺陷，从而达到优化相变材料相变性能的目的。目前在相变材料研究中，已经报道的有SW2与Ge2Sb2I^5相变材料的复合，但由于S^2较小的介电常数以及复合材料较低的载流子迁移率，SiO2与Ge2Sb2I^5复合相变材料的阈值电压较高。为了能够进一步提升器件的性能，寻找一种能够同时降低阈值电压和RESET电压的介质材料显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热稳定性高、热导率小、及介电常数大的Sb2Te3-HfO2 纳米复合相变材料。本发明的另一目的在于提供一种Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料的制备方法。本发明的再一目的在于提供一种相变过程的功耗低、稳定性高、且数据保持能力强的相变存储器。本发明的还有一目的在于提供一种性能优越的相变存储器的制备方法。为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的Sb2I^3纳米复合相变材料，包含重量百分比为2-30%的介质材料HfO2和重量百分比为70-98%的Sb2Te3相变材料。
较佳的，在形成的复合材料中，所述相变材料Sb2I^3与介质材料HfO2在分散均勻。较佳的，所述相变材料Sb2I^3在复合材料中呈球状体颗粒，其颗粒直径小于 IOOnm0上述纳米复合材料的制备方法中包括采用Sb2I^3合金靶和HfO2靶两靶同时溅射的步骤。较佳的，溅射时，本底真空度小于10_4Pa，溅射气压为0. 18-0. 25 ，温度为室温， 加在Sb2Tii3合金靶上为直流10-30瓦，加在HfO2靶上为射频10-50瓦，溅射时间为10-20分钟，沉积厚度为50-240nm。此外，本发明提供的相变存储器包括采用上述纳米复合相变材料作为存储介质的纳米复合相变材料层。上述相变存储器的制备方法包括步骤1)在半导体衬底上制备第一金属电极层及绝缘层，利用曝光-刻蚀工艺去除部分绝缘材料以形成孔体；2)在具有孔状的半导体衬底上采用Sb2I^3合金靶和HfO2靶两靶同时溅射形成纳米复合相变材料薄膜，以使所述纳米复合相变材料薄膜填充并覆盖所述孔体；幻在形成有纳米复合相变材料薄膜的半导体衬底上制备第二金属电极层；4)再次利用曝光-刻蚀工艺将部分第二金属电极层和纳米复合相变材料薄膜一起刻去，以形成相变存储器。其中，所述半导体衬底可为(100)取向的硅衬底；所述曝光-刻蚀工艺采用的曝光方法为电子束曝光，刻蚀方法为反应离子刻蚀。综上所述，本发明的Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料通过将Sb2I^3相变材料与HfO2 复合，可提高材料的热稳定性，由其构成的相变存储器在相变过程中功耗小，器件的疲劳特性、稳定性、数据保持能力、和功耗等性能都得以提升。
图1至图5为本发明的Sb2Te3-HfO2相变存储器的制备方法流程图。图6为本发明的Sb2I^-HfO2纳米复合相变材料的XRD图。图7为本发明的Sb2I^-HfO2纳米复合相变材料的电阻率与温度关系图。图8为本发明的相变存储器的电阻与电压关系图。图9为本发明的相变存储器的疲劳性能图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细说明。一、本发明的Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料由重量百分比为2_30%的介质材料 HfO2、重量百分比为70-98%的硫系化合物相变材料组成的，其中，所述硫系化合物相变材料可以是Sb2Te3。在所述纳米复合相变材料中，所述相变材料Sb2I^3与介质材料HfO2在复合材料中分散均勻，且所述相变材料Sb2Te53呈球状体颗粒，其颗粒直径小于lOOnm。所述纳米复合相变材料的制备方法可采用采用硫系化合物合金靶和HfO2靶两靶同时溅射来形成， 以下以利用磁控溅射法制备纳米复合相变薄膜一 Sb2Te53与HfO2复合材料为例来说明。首先，清洗(100)取向的硅衬底；接着，采用Sb2I^3合金靶和HfOdE两靶共溅射法制备薄膜，其中，Sb2Ti53和HfO2的重量比可参考表1。制备过程中，本底真空度小于10_4Pa，溅射气压为0. 18-0. 251 ，温度为室温，加在^2Tii3合金靶上为直流10-30瓦，加在HfO2靶上为射频10-50瓦，溅射时间为10-20分钟，沉积厚度为50-240nm。表1
权利要求
1.一种Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料，其特征在于包含 重量百分比为2-30%的介质材料HfO2和重量百分比为70-98%的Sb2Te3相变材料。
2.如权利要求1所述的Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料，其特征在于所述相变材料 Sb2Te3与介质材料HfO2在复合材料中分散均勻。
3.如权利要求1或2所述的Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料，其特征在于所述相变材料Sb2Te3在复合材料中呈球状体颗粒，其颗粒直径小于lOOnm。
4.一种Sb2Te3-HfO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括采用Sb2Te3合金靶和 HfO2靶两靶同时溅射的步骤。
5.如权利要求4所述的Sb2Te3-HfO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于溅射时， 本底真空度小于10_4Pa，溅射气压为0. 18-0. 25Pa，温度为室温，加在Sb2Te3合金靶上为直流 10-30瓦，加在HfO2靶上为射频10-50瓦，溅射时间为10-20分钟，沉积厚度为50-240nm。
6.一种相变存储器，其特征在于包括用作存储介质的纳米复合相变材料层，所述纳米复合相变材料层的材料为权利要求1 3中任一一种。
7.一种制备相变存储器的方法，其特征在于包括步骤a)在半导体衬底上制备第一金属电极层及绝缘层，利用曝光-刻蚀工艺去除部分绝缘材料以形成孔体；b)在具有孔状的半导体衬底上采用Sb2Te3合金靶和HfO2靶两靶同时溅射形成纳米复合相变材料薄膜，以使所述纳米复合相变材料薄膜填充并覆盖所述孔体；c)在形成有纳米复合相变材料薄膜的半导体衬底上制备第二金属电极层；d)再次利用曝光-刻蚀工艺将部分第二金属电极层和纳米复合相变材料薄膜一起刻去，以形成相变存储器。
8.如权利要求7所述的制备相变存储器的方法，其特征在于所述半导体衬底为(100) 取向的硅衬底。
9.如权利要求7所述的制备相变存储器的方法，其特征在于所述曝光_刻蚀工艺采用的曝光方法为电子束曝光，刻蚀方法为反应离子刻蚀。
全文摘要
本发明提供一种Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料及其在相变存储器中的用途，其中，所述Sb2Te3-HfO2纳米复合相变材料包含重量百分比为2-30％的介质材料HfO2和重量百分比为70-98％的Sb2Te3相变材料，由于Sb2Te3相变材料与HfO2在纳米尺度的均匀复合，相变材料分布在介质材料HfO2形成的纳米框架结构中，一方面抑制了相变材料的结晶，提升了材料的晶化温度；另一方面相变材料的挥发得到了有效的抑制，组分偏析情况得到明显改善，增加了材料的稳定性。这种新型纳米复合相变薄膜应用到存储器中，可使相变存储器件的RESET电压降低，有利于实现高密度存储，提高了相变存储器的编程过程中的加热效率，降低了其功耗，提升了数据保持能力、疲劳特性和抗辐照能力等。
文档编号C23C14/34GK102157681SQ201010263978
公开日2011年8月17日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者吕业刚, 宋三年, 宋志棠 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所