一种Sb-Te-Cr相变材料、相变存储器单元及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳电子技术领域，涉及一种Sb-Te-Cr相变材料、相变存储器单元及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在半导体市场中，存储器占有重要的地位。利用相变薄膜材料作为存储介质的相变存储器被认为是最有潜力的下一代非易失性存储器。相变存储器技术基于S.R.0vshinsky在20世纪60年代末、70年代初提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器，其关键材料包括作为存储介质的相变薄膜、加热电极材料、绝缘材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是:施加电学脉冲信号于器件单元，使相变材料在非晶态与晶态之间产生可逆转变，利用材料在高电阻值的非晶态和低电阻值的晶态之间的电阻差异来实现数据存储。Ovshinsky于1992年提出了基于电学信号的可擦写相变存储器的专利(美国专利,专利号:5166758)，以硫系化合物Ge-Sb-Te合金薄膜作为相变存储器的存储介质。直至目前，用于相变存储器的典型材料仍为硫系化合物合金Ge-Sb-Te薄膜，其中以Ge2Sb2Te5应用最广，即Ge、Sb、Te三种元素成分的原子比为2:2:5。
[0003]存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。对于传统的相变存储器存储介质材料Ge2Sb2Te5，仍然存在着不能忽视的缺点。其结晶温度较低(^ 140°C )，使高密度相变存储器芯片相邻单元的热串扰问题难以避免；Ge2Sb2Te5的热稳定性无法满足汽车电子等领域的高温数据保持力的要求一一在120°C下数据能够保持10年以上；而且，其在器件中的功耗和擦写速度仍然需要进一步改善。另外，Te元素熔点低，蒸汽压高，高温下易挥发，导致Ge2Sb2Te5高温退火过程中容易发生相分离；且Te元素具有高扩散性，会导致材料成分偏移且对于半导体工艺线具有污染性等。总之，新型相变材料应该在减少或者去除相变材料中Te元素的前提下，满足结晶温度较高、高温数据保持力较好、结晶速度较快等要求，且在相变存储器器件中功耗较低、擦写速度快以及能达到一定的循环次数。
[0004]Sb-Te系列的相变材料有着较快的相变速度，其最稳定的晶态相为Sb2Te3。但Sb2Te3的结晶温度非常低，热稳定性非常差。在没有掺杂的情况下，Sb 21^3相变材料不能应用于相变存储器。
[0005]鉴于此，如何对Sb-Te系列相变材料进行掺杂以大幅度提高其结晶温度，提升数据保持力，以满足现实需要，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]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Sb-Te-Cr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相变存储器的编程速度、数据保持力及可罪性均有待进一步提闻的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于相变存储器的Sb-Te-Cr相变材料，所述Sb-Te-Cr相变材料的化学通式为SbxTeyCr 1(l(l_x_y,其中x、y均指元素的原子百分比，且满足 30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0008]可选地，所述SbxTeyCr 1(|。_”中，满足x:y = 2:3，且Cr的原子百分比满足0〈100-x-y〈25。
[0009]可选地，所述SbxTeyCricitlIA, Cr的原子百分比满足5〈100_x-y〈15。
[0010]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下电极层、上电极层及位于所述下电极层和上电极层之间的相变材料层；所述相变材料层采用Sb-Te-Cr相变材料，所述Sb-Te-Cr相变材料的化学通式为SbxTeyCr1(l(l_x_y,其中x、y均指元素的原子百分比，且满足 30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0011]可选地,所述下电极层的材料包括:单金属材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。
[0012]可选地,所述上电极层的材料包括:单金属材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu、Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。
[0013]本发明还提供一种相变存储器单元的制备方法，包括以下步骤:
[0014]形成下电极层；
[0015]在所述下电极层上形成相变材料层；所述相变材料层采用Sb-Te-Cr相变材料，所述Sb-Te-Cr相变材料的化学通式为SbxTeyCr1H,其中x、y均指元素的原子百分比，且满足 30〈x〈45,40〈y〈100-x ；
[0016]在所述相变材料层上形成上电极层；
[0017]在所述上电极层上形成引出电极，把所述上电极层、所述下电极层通过所述引出电极与器件单元的控制开关、驱动电路及外围电路集成。
[0018]可选地,所述引出电极的材料包括:单金属材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料。
[0019]可选地，制备所述下电极层、所述相变材料层、所述上电极层及所述引出电极的方法包括:溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中的任意一种。
[0020]如上所述，本发明的Sb-Te-Cr相变材料、相变存储器单元及其制备方法，具有以下有益效果:本发明提供的用于相变存储器的Sb-Te-Cr新型相变材料，在外部能量的作用下，能够实现高电阻态与低电阻态之间的可逆转变；其作为相变存储器的存储介质时，相变存储单元不仅具有相变速度快、写操作电流低等优点，而且器件的高温数据保持力及可靠性都得到了提高。
【附图说明】
[0021]图1显示为本发明的相变存储器单元的结构示意图。
[0022]图2显示为形成下电极层的示意图。
[0023]图3显示为在下电极层上形成相变材料层的示意图。
[0024]图4显示为在相变材料层上形成上电极层的示意图。
[0025]图5显示为Sb36.Je55.2&8相变材料应用于相变存储器中，所形成的器件单元在电流激励作用下测得的电流-电压(1-V)曲线。
[0026]图6显示为Sb36.8Te55.2Ci^@变材料应用于相变存储器中，所形成的器件单元经过一次SET-RESET循环后的窗口特征曲线(即R-V曲线)，脉冲宽度为100ns。
[0027]图7 显示为 Sb2Te3>Sb37.6Te56.4Cr6,Sb36.8Te55.2CrsR Sb 35.21^52.8&12薄膜材料的方块电阻与退火温度的关系曲线，其中薄膜厚度为50nm。
[0028]图8 显示为 Sb37.6Te56.4Cr6、Sb36.8Te55.2CivS Sb 35.21^52.8012薄膜材料的数据保持力拟合关系曲线，其中薄膜厚度为50nm。
[0029]元件标号说明
[0030]I下电极层
[0031]2相变材料层
[0032]3上电极层
[0033]4引出电极
【具体实施方式】
[0034]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。
[0035]请参阅图1至图8。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，遂图式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。
[0036]实施例一
[0037]如图1所示，显示为本发明的相变存储器单元的结构示意图，所述相变存储器单元包括下电极层1、上电极层3及位于所述下电极层I和上电极层3之间的相变材料层2 ;所述相变材料层2采用Sb-Te-Cr相变材料，所述Sb-Te-Cr相变材料的化学通式为SbxTeyCr1QQ_x_y，其中x、y均指元素的原子百分比，且满足30〈x〈45，40〈y〈100-X。
[0038]进一步的，所述上电极层3上还形成有引出电极4。
[0039]本发明所述的包含SbxTeyCr1(l(l_x_y相变材料的相变存储器器件单元的制备过程具体如下:
[0040]步骤1:请参阅图2，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任意一种制备下电极层1，本实施例优选采用CVD法制备所述下电极层I。所述下电极层I的材料为单金属材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一种,或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。本实施例中，所述下电极层I的材料优选为W。所得W电极的直径为80nm，高度为200nm。
[0041]步骤2:请参阅图3，在所述下电极层I上制备相变材料层2，所述相变材料层2采用Sb-Te-Cr相变材料，所述Sb-Te-Cr相变材料的化学通式为SbxTeyCr ，其中x、y均指元素的原子百分比，且满足30〈x〈45，40〈y〈 100-x。
[0042]所述相变材料层2的制备方法可采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法或原子层沉积法中的任意一种。本实施例中优选为，在W下电极层I上采用磁控溅射法，以Sb2Te3合金靶、及Cr单质靶共溅射制备Sb 36.8Te55.2Cr8相变材料层2，工艺参数为:本底气压为I X IQ-5Pa,溅射时Ar气气压为0.2Pa，溅射功率为Sb2Te3合金靶20W，Cr单质靶10W，衬底温度为25°C，溅射时间12-13min。所得薄膜厚度约为50nm。
[0043]步骤3:请参阅图4，在相变材料层2上，采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)中任一种制备上电极层3。上电极层3的材料为单金属材料W、Pt、Au、T1、Al、Ag、Cu或Ni中的任意一种，或由所述单金属材料中的任意两种或多种组合成的合金材料，或所述单金属材料的氮化物或氧化物。
[0044]本实施例中优选为，在Sb36.8Te55.2Cr8相变材料层2上采用磁控溅射法制备上电极层3，所述上电极层3的材料优选为TiN，工艺参数为:本底气压为l