Y‑Sb‑Te相变材料、相变存储器单元及其制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别是涉及一种y-sb-te相变材料、相变存储器单元及其制备方法。

背景技术：

存储器是目前半导体市场的重要组成部分，是信息技术的基石，无论在生活中还是在国民经济中发挥着重要的作用。目前，存储器的存储产品主要有：闪存，磁盘、动态存储器，静态存储器等其他非易失性技术：铁电体ram、磁性ram、碳纳米管ram、电阻式ram、铜ram(copperbridge)、全息存储、单电子存储、分子存储、聚合物存储、赛道存储(racetrackmemory)、探测存储(probememory)等作为下一代存储器的候选者也受到了广泛的研究。这些技术各有各的特色，但大都还处于理论研究或者初级试验阶段，距离大范围实用还非常遥远。而目前相变存储器已经走出实验室，走向了市场。继numonyx宣布出货omneo系列相变存储芯片后，三星也宣布推出了首款多芯片封装512mbit相变存储颗粒产品。目前对相变存储器的期望是取代消费电子领域中的nor型闪存。

相变存储器的基本原理是利用期间中存储材料在高电阻和低电阻之间的可逆转变来实现“1”和“0”的存储。通过利用电信号控制实现存储材料高电阻的连续变化可以实现多级存储，从而大幅提高存储器的信息存储能力。在相变存储器中，利用了相变材料在非晶和多晶之间的可逆转变来实现上述的电阻变化。

在相变材料研发中，常用的有ge2sb2te5、sb2te3和gete等，其中sbxtey具有相变速度快，功耗低等优点。但是这种材料的结晶温度低，数据保持力差，高低阻值比小。因此为了提高其热稳定性，改善数据保持力及提高高低阻值比，通常的做法是引入适量的掺杂。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种y-sb-te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，用于解决现有技术中sbxtey相变材料存在的结晶温度低、数据保持能力差、高低阻值比小等问题。

为了实现上述目的及其他相关目标，本发明提供一种y-sb-te相变材料，所述y-sb-te相变材料为包括钇、锑及碲三种元素的化合物，所述y-sb-te相变材料的化学式为y100-x-ysbxtey，其中0<100-x-y<50，0.1≤x/y≤4。

作为本发明的y-sb-te相变材料的一种优选方案，所述y-sb-te相变材料中，1.6≤x/y≤4。

作为本发明的y-sb-te相变材料的一种优选方案，所述y-sb-te相变材料中，20≤x≤80,10≤y≤65。

作为本发明的y-sb-te相变材料的一种优选方案，所述y-sb-te相变材料为y-sb-te相变薄膜材料，所述y-sb-te相变材料的厚度为1nm～300nm。

作为本发明的y-sb-te相变材料的一种优选方案，所述y-sb-te相变材料在电信号操作下可以实现高低阻值的反复转换，且在没有电信号操作时维持阻值不变。

本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元包括上述任一方案中所述的y-sb-te相变材料。

本发明还提供一种如上述任一种方案中所述的y-sb-te相变材料的制备方法，根据化学通式y100-x-ysbxtey中y、sb与te的不同配比，采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法或电子束蒸发法制备如上述任一方案中所述的y-sb-te相变材料。

作为本发明的y-sb-te相变材料的制备方法的一种优选方案，采用sb2te3合金靶及y单质靶两靶共溅射、或采用sb2te3合金靶、sb单质靶及y单质靶三靶共溅射、或采用sb2te3合金靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射、或采用sb单质靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料。

作为本发明的y-sb-te相变材料的一种优选方案，采用sb2te3合金靶及y单质靶两靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料时，所述sb2te3合金靶采用直流电源，所述y单质靶采用射频电源，通过改变射频功率来调节y的原子百分比，得到y组分可调的y100-x-ysbxtey系列相变材料；所述sb2te3合金靶采用的直流功率为10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率为10w～100w。

作为本发明的y-sb-te相变材料的制备方法的一种优选方案，采用sb2te3合金靶、sb单质靶及y单质靶三靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料时，所述sb2te3合金靶及所述sb单质靶采用直流电源，所述y单质靶采用射频电源，通过改变射频功率来调节y的原子百分比，通过改变所述sb单质靶的直流功率来调节sb、te的组分比，得到y组分可调的y100-x-ysbxtey系列相变材料；所述sb2te3合金靶级所述sb单质靶采用的直流功率为10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率为10w～100w。

作为本发明的y-sb-te相变材料的制备方法的一种优选方案，采用sb2te3合金靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料时，所述sb2te3合金靶及te单质靶采用直流电源，所述y单质靶采用射频电源，通过改变射频功率来调节y的原子百分比，通过改变te单质靶的直流功率来调节sb、te及y的组分比，得到y组分可调的y100-x-ysbxtey系列相变材料；所述sb2te3合金靶及所述te单质靶采用的直流功率为10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率为10w～100w。

作为本发明的y-sb-te相变材料的制备方法的一种优选方案，采用sb单质靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料时，所述sb单质靶及所述te单质靶采用直流电源，所述y单质靶采用射频电源，通过改变射频功率来调节y的原子百分比，通过改变所述sb单质靶及所述te单质靶的直流功率来调节sb、te及y的组分比，得到y组分可调的y100-x-ysbxtey系列相变材料；所述sb单质靶及te单质靶采用的直流功率范围是10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率范围是10w～100w。

本发明的y-sb-te相变材料、相变存储器单元及其制备方法具有如下有益效果：本发明的用于相变存储器的y-sb-te系列相变材料具有较快的结晶速度及较高的沉积态稳定性，其在电脉冲作用下可以实现可逆相变，相变前后有电阻高低差异之分，差值较大，可以分辨出“0”、“1”，是一种理想的相变材料，可用于制备相变存储器单元。所述y-sb-te系列相变材料可采用多种方法制备，其中磁控溅射法比较灵活，可以方便制得组分可调、质量较高的y100-x-ysbxtey复合薄膜。

附图说明

图1显示为sb2te3与本发明实施例一中提供的y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)相变材料的电阻随温度的变化关系曲线。

图2显示为sb2te3与本发明实施例一中提供的y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)相变材料的电阻下降斜率随温度变化关系曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种y-sb-te相变材料，所述y-sb-te相变材料为包括钇、锑及碲三种元素的化合物，所述y-sb-te相变材料的化学式为y100-x-ysbxtey，其中0<100-x-y<50，0.1<x/y<4。本发明通过在sbxtey相变材料中掺杂y，由于y和te的形成能非常小，y倾向于取代sb原子与te原子形成y2te3，y2te3与sb2te3的晶格失配非常小，较小的晶格失配将避免分相的出现，这将有助于提高器件的稳定性；并且y掺入后材料的晶态电阻明显提高，这将有助于降低器件的reset功耗。

作为示例，所述y-sb-te相变材料中，x/y＝2/3。

作为示例，所述y-sb-te相变材料中，1.6≤x/y≤4，在一示例中，x/y＝2/1。

作为示例，所述y-sb-te相变材料中，20≤x≤80,10≤y≤65。

作为示例，所述y-sb-te相变材料为y-sb-te相变薄膜材料，所述y-sb-te相变材料的厚度为1nm～300nm。

作为示例，所述y-sb-te相变材料在电信号操作下可以实现高低阻值的反复转换，且在没有电信号操作时维持阻值不变。

本发明还提供一种相变存储器单元，所述相变存储器单元包括上述任一方案中所述的y-sb-te相变材料。

本发明还提供一种如上述任一种方案中所述的y-sb-te相变材料的制备方法，根据化学通式y100-x-ysbxtey中y、sb与te的不同配比，采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法或电子束蒸发法制备如上述任一项所述的y-sb-te相变材料，其中，磁控溅射法比较灵活，可以方便制得组分可调、质量较高的y100-x-ysbxtey相变材料。

作为示例，采用sb2te3合金靶及y单质靶两靶共溅射、或采用sb2te3合金靶、sb单质靶及y单质靶三靶共溅射、或采用sb2te3合金靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射、或采用sb单质靶、te单质靶及y单质靶三靶共溅射的方式制备所述y-sb-te相变材料。下面，结合具体实施例对所述y-sb-te相变材料的制备方法进行具体阐述。

实施例一

本实施例通过制备y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)相变材料，并对其进行测试来进一步说明本发明的一种技术方案。具体制备方案如下：

利用磁控溅射中的双靶共溅射法同时在硅衬底和热氧化后的硅衬底上制备y100-x-ysbxtey相变材料，其中0<100-x-y<50，0.5≤x/y≤4。制备出的y-sb-te系列相变材料为薄膜材料，通过调整长膜时间可将薄膜厚度控制在100nm～250nm。

具体地，包括以下步骤：在氩气气氛下，利用sb2te3合金靶和y单质靶两靶共溅射，其中，sb2te3合金靶采用直流电源，y单质靶采用射频电源；通过改变射频功率来调节y的原子百分比，得到y组分可调的y-sb-te系列相变材料。由于采用了sb2te3合金靶，因此在所述y100-x-ysbxtey中，满足x/y＝2/3，即制备得到化学式为y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)的相变材料。本实施例中，y的组分优选为0.5<100-x-y<8。

进一步地，利用sb2te3合金靶和y单质靶两靶共溅射时，所述sb2te3合金靶采用的直流功率范围是10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率范围是20w～100w，本底真空度和溅射时的氩气气压可根据实际需要进行调整。作为示例，本实例选择将薄膜沉积在衬底sio2。将衬底sio2分别经过丙酮、酒精及去离子水超声清洗。薄膜样品的制备采用的是高纯y单质靶及sb2te3合金靶两靶共溅射，溅射过程中，本底真空优于2×10^-4pa,作为辉光源的高纯氩气流量设置为100sccm(标准毫升/分钟)，溅射气压为0.4pa，样品台温度为室温，溅射过程中通循环冷却水对溅射靶材进行冷却。高纯y单质靶采用射频功率20w进行溅射，sb2te3合金靶采用直流功率15w进行溅射，溅射时长15分钟。

进一步地，膜厚通过场发射扫描电镜来观察新鲜截面获取，本实例测得所沉积薄膜截面平均厚度为100nm。薄膜的方块电阻由上海微系统与信息技术研究所自主搭建的原位电阻测量系统获得。升温速率设为10℃/min,通过电阻-温度(r-t)的测试，可以得到相变材料y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)的结晶温度(tc)，如图1所示。对所测得电阻-温度(r-t)关系进行进一步处理，对电阻r取对数得到log(r)，然后作log(r)对温度t的一次微分曲线，得到材料的结晶温度tc约为193℃，如图2所示。

本实施例中，利用sb2te3合金靶和y单质靶两靶共溅射制备得到了sb、te组分比x/y＝2/3的y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)复合物薄膜，在所述y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)中，由于y和te的形成能非常小，所以y倾向于取代sb原子与te原子形成y2te3，y2te3与sb2te3的晶格失配非常小，较小的晶格失配将避免分相的出现，这将有助于提高器件的稳定性；并且y掺入后材料的晶态电阻明显提高，这将有助于降低器件的reset功耗。该y100-x-ysbxtey(x/y＝2/3)复合物薄膜用于相变存储器可具有较好的结晶速度及较高的沉积态稳定性，并在电脉冲作用下实现可逆相变，是一种较为理想的相变材料。

实施例二

本实施例通过制备y100-x-ysbxtey(x/y＝2/1)相变材料，并对其进行测试来进一步说明本发明的一种技术方案。具体制备方案如下：

利用磁控溅射中的三靶共溅射法同时在硅衬底和热氧化后的硅衬底上制备y100-x-ysbxtey相变材料，其中0<100-x-y<50，0.5≤x/y≤4。制备出的y-sb-te系列相变材料为薄膜材料，通过调整长膜时间可将薄膜厚度控制在100nm～250nm。

具体地，包括以下步骤：在氩气气氛下，利用sb2te3合金靶、sb单质靶和y单质靶三靶共溅射，其中，sb2te3合金靶与sb单质靶采用直流电源，y单质靶采用射频电源；通过改变射频功率来调节y的原子百分比，得到y组分可调的y-sb-te系列相变材料。通过调节直流功率使得sb、te组分比为x/y＝2/1。本实施例中，y的组分优选为0.5<100-x-y<8。

进一步地，利用sb2te3合金靶、sb单质靶和y单质靶三靶共溅射时，所述sb2te3合金靶与sb单质靶采用的直流功率范围是10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率范围是20w～100w，本底真空度和溅射时的氩气气压可根据实际需要进行调整。作为示例，本实例选择将薄膜沉积在衬底sio2。将衬底sio2分别经过丙酮、酒精及去离子水超声清洗。

进一步地，薄膜的方块电阻由上海微系统与信息技术研究所自主搭建的原位电阻测量系统获得。升温速率设为10℃/min,通过电阻-温度(r-t)的测试，可以得到相变材料y100-x-ysbxtey(x/y＝2/1)的结晶温度(tc)。对所测得电阻-温度(r-t)关系进行进一步处理，对电阻r取对数得到log(r)，然后作log(r)对温度t的一次微分曲线，得到材料的结晶温度tc。

本实施例中，利用sb2te3合金靶、sb单质靶和y单质靶三靶共溅射制备得到了sb、te组分比x/y＝2/1的y100-x-ysbxtey(x/y＝2/1)复合物薄膜，在所述y100-x-ysbxtey(x/y＝2/1)中，由于y和te的形成能非常小，所以y倾向于取代sb原子与te原子形成y2te3，y2te3与sb2te3的晶格失配非常小，较小的晶格失配将避免分相的出现，这将有助于提高器件的稳定性；并且y掺入后材料的晶态电阻明显提高，这将有助于降低器件的reset功耗。该y100-x-ysbxtey(x/y＝2/1)复合物薄膜用于相变存储器可具有较好的结晶速度及较高的沉积态稳定性，并在电脉冲作用下实现可逆相变，是一种较为理想的相变材料。

实施例三

本实施例通过制备y100-x-ysbxtey(x/y＝1/2)相变材料，并对其进行测试来进一步说明本发明的一种技术方案。具体制备方案如下：

利用磁控溅射中的三靶共溅射法同时在硅衬底和热氧化后的硅衬底上制备y100-x-ysbxtey相变材料，其中0<100-x-y<50，0.5≤x/y≤4。制备出的y-sb-te系列相变材料为薄膜材料，通过调整长膜时间可将薄膜厚度控制在100nm～250nm。

具体地，包括以下步骤：在氩气气氛下，利用sb2te3合金靶、te单质靶和y单质靶三靶共溅射，其中，sb2te3合金靶与te单质靶采用直流电源，y单质靶采用射频电源；通过改变射频功率来调节y的原子百分比，得到y组分可调的y-sb-te系列相变材料。通过调节直流功率使得sb、te组分比为x/y＝1/2。本实施例中，y的组分优选为0.5<100-x-y<8。

进一步地，利用sb2te3合金靶、te单质靶和y单质靶三靶共溅射时，所述sb2te3合金靶与sb单质靶采用的直流功率范围是10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率范围是20w～100w，本底真空度和溅射时的氩气气压可根据实际需要进行调整。作为示例，本实例选择将薄膜沉积在衬底sio2。将衬底sio2分别经过丙酮、酒精及去离子水超声清洗。

进一步地，薄膜的方块电阻由上海微系统与信息技术研究所自主搭建的原位电阻测量系统获得。升温速率设为10℃/min,通过电阻-温度(r-t)的测试，可以得到相变材料y100-x-ysbxtey(x/y＝1/2)的结晶温度(tc)。对所测得电阻-温度(r-t)关系进行进一步处理，对电阻r取对数得到log(r)，然后作log(r)对温度t的一次微分曲线，得到材料的结晶温度tc。

本实施例中，利用sb2te3合金靶、te单质靶和y单质靶三靶共溅射制备得到了sb、te组分比x/y＝1/2的y100-x-ysbxtey(x/y＝1/2)复合物薄膜，在所述y100-x-ysbxtey(x/y＝1/2)中，由于y和te的形成能非常小，所以y倾向于取代sb原子与te原子形成y2te3，y2te3与sb2te3的晶格失配非常小，较小的晶格失配将避免分相的出现，这将有助于提高器件的稳定性；并且y掺入后材料的晶态电阻明显提高，这将有助于降低器件的reset功耗。该y100-x-ysbxtey(x/y＝1/2)复合物薄膜用于相变存储器可具有较好的结晶速度及较高的沉积态稳定性，并在电脉冲作用下实现可逆相变，是一种较为理想的相变材料。

实施例四

本实施例通过制备y100-x-ysbxtey(x/y＝4/1)相变材料，并对其进行测试来进一步说明本发明的一种技术方案。具体制备方案如下：

利用磁控溅射中的三靶共溅射法同时在硅衬底和热氧化后的硅衬底上制备y100-x-ysbxtey相变材料，其中0<100-x-y<50，0.5≤x/y≤4。制备出的y-sb-te系列相变材料为薄膜材料，通过调整长膜时间可将薄膜厚度控制在100nm～250nm。

具体地，包括以下步骤：在氩气气氛下，利用sb单质靶、te单质靶和y单质靶三靶共溅射，其中，sb单质靶与te单质靶采用直流电源，y单质靶采用射频电源；通过改变射频功率来调节y的原子百分比，得到y组分可调的y-sb-te系列相变材料。通过调节直流功率使得sb、te组分比为x/y＝4/1。本实施例中，y的组分优选为0.5<100-x-y<8。

进一步地，利用sb单质靶、te单质靶和y单质靶三靶共溅射时，所述sb单质靶与te单质靶采用的直流功率范围是10w～30w，所述y单质靶采用的射频功率范围是20w～100w，本底真空度和溅射时的氩气气压可根据实际需要进行调整。作为示例，本实例选择将薄膜沉积在衬底sio2。将衬底sio2分别经过丙酮、酒精及去离子水超声清洗。

进一步地，薄膜的方块电阻由上海微系统与信息技术研究所自主搭建的原位电阻测量系统获得。升温速率设为10℃/min,通过电阻-温度(r-t)的测试，可以得到相变材料y100-x-ysbxtey(x/y＝4/1)的结晶温度(tc)。对所测得电阻-温度(r-t)关系进行进一步处理，对电阻r取对数得到log(r)，然后作log(r)对温度t的一次微分曲线，得到材料的结晶温度tc。

本实施例中，利用sb2te3合金靶、sb单质靶和y单质靶三靶共溅射制备得到了sb、te组分比x/y＝4/1的y100-x-ysbxtey(x/y＝4/1)复合物薄膜，在所述y100-x-ysbxtey(x/y＝4/1)中，由于y和te的形成能非常小，所以y倾向于取代sb原子与te原子形成y2te3，y2te3与sb2te3的晶格失配非常小，较小的晶格失配将避免分相的出现，这将有助于提高器件的稳定性；并且y掺入后材料的晶态电阻明显提高，这将有助于降低器件的reset功耗。该y100-x-ysbxtey(x/y＝4/1)复合物薄膜用于相变存储器可具有较好的结晶速度及较高的沉积态稳定性，并在电脉冲作用下实现可逆相变，是一种较为理想的相变材料。

综上所述，本发明提供一种y-sb-te相变材料、相变存储器单元及其制备方法，所述y-sb-te相变材料为包括钇、锑及碲三种元素的化合物，所述y-sb-te相变材料的化学式为y100-x-ysbxtey，其中0<100-x-y<50，0.1≤x/y≤4。本发明的用于相变存储器的y-sb-te系列相变材料具有较快的结晶速度及较高的沉积态稳定性，其在电脉冲作用下可以实现可逆相变，相变前后有电阻高低差异之分，差值较大，可以分辨出“0”、“1”，是一种理想的相变材料，可用于制备相变存储器单元。所述y-sb-te系列相变材料可采用多种方法制备，其中磁控溅射法比较灵活，可以方便制得组分可调、质量较高的y100-x-ysbxtey复合薄膜。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。