一种无碲存储材料、制备方法及应用

摘要

本发明涉及一种无碲存储材料、制备方法及应用。其特征在于所述的存储材料为硅-锑混合物，组成通式为SixSb100-x，0＜x＜90，优先推荐组成为5≤x≤70。所述的材料在外部能量作用下为电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动。通过调整这种材料中两种元素的组份，可以得到具有不同结晶温度、熔点和结晶激活能的存储材料。所提供的材料体系具备如下优点：较好的可调性、较强的数据保持能力、较简单的成份和制备工艺、对半导体设备没有污染、较好的可加工性、环境友好性等，具有广阔的应用前景。硅-锑合金材料是用于存储器的理想存储介质。

权利要求

1、一种无碲存储材料，其特征在于所述的存储材料为硅-锑的混合物，组成通式为SixSb100-x，0＜x≤16。

2、 按权利要求1所述的无碲存储材料，其特征在于所述的存储材料通 式中的x为4、 10或16。

3、 按权利要求1所述的无碲存储材料，其特征在于进一步对SixSblw.x， (Xx《16进行掺杂，掺杂剂量原子百分含量在0-50%之间，掺杂元素为锗、 硒、磷、硫、金、银、钛、钩、铝、锡、铋、镓、硼、氧、氮、氢、或稀土 元素中一种，或为几种元素的混合掺杂。

4、 按权利要求l、 2或3所述的无碲存储材料，其特征在于所述的存储 材料为在外部能量作用下具有可逆变化的材料。

5、 按权利要求4所述的无碲存储材料，其特征在于所述的外部能量作 用为电驱动、激光脉冲驱动或电子束驱动。

6、 按权利要求l、 2或3所述的无碲存储材料，其特征在于通过控制所 述存储材料中硅的成分，控制材料的结晶温度，熔点或电阻率。

7、 按权利要求6所述的无碲存储材料，其特征在于通过控制存储材料 中硅的成分、使电阻率变化在一个数量级以上。

8、 按权利要求6所述的无碲存储材料，其特征在于通过控制存储材料 中硅的成分，电阻率变化达4个数量级。

9、 制备如权利要求l、 2或3所述的无碲存储材料的方法，其特征在于 利用磁控溅射共溅射在热氧化后的硅衬底上，溅射时氩气保护，压力为 O.l-l.OPa，硅靶、锑靶或掺杂元素靶的硅锑薄膜上的功率分别通过调节溅射 频率和溅射的直流电流制作出不同组分和不同成份的硅-锑薄膜存储材料或 掺杂的硅-锑薄膜存储材料，然后在高纯氮气氛下退火。

10、 按权利要求9所述的无碲存储材料的制备方法，其特征在于高纯氮气氛下退火时间为5分钟。

11、 按权利要求l、 2或3所述的无碲存储材料作为存储器的应用，其 特征在于利用所述的存储材料电脉冲下可逆变化前后电阻率差异进行数据 存储，或利用光学反射率差异进行数据存储。

12、 按权利要求11所述的无碲存储材料作为存储器的应用，其特征在于应用于高温条件下存储器选用结晶温度高的无碲材料，而对低功耗应用的 存储器选用硅含量较低的无碲材料。

说明书

一种无碲存储材料、制备方法及应用絲令臓本发明涉及一种用于存储器的存储材料、制备方法及应用，更确切地说 涉及一种无碲存储材料、制备方法及应用。属于存材料领域。背景技术相变存储器的研究是目前存储器研究的热点，具有广阔的市场前景，目 前相变存储器大致可分为两类， 一类是已经商业化的多媒体数据光盘(DVD)，另一类是正处于研发中的硫系化合物随机存储器（C-RAM, Chalcogenide random access memory)。 C國RAM集高速、高密度、结构简单、 成本低廉、抗辐照、非易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代存 储器最有力的竞争者，有着广阔的市场前景，它将替代目前广泛使用的闪存， 从而在电子存储器领域占据重要一席，故它的研发受到了全球各大半导体公 司的强烈关注。而在C-RAM研发中，作为存储器媒介的相变材料性能的提升是是提高 C-RAM器件性能的关键技术之一。目前在C-RAM中用较多的相变存储材 料是锗锑碲合金（Ge-Sb-Te)，特别是Ge2Sb2Te5，是利用可逆相变前后电阻 的差异实现数据存储。虽然Ge2Sb2Tes在热稳定性、读写速度上有着比较突 出的性能，但是同样面临着严峻的问题：首先，材料的结晶温度较低（约为 165 。C左右），虽然基于Ge2Sb2Te5的存储器数据能够在110'C下保持10年，但是存储器在高^L时依然面临着数据丢失的危险；其次，材料中的碲对人体 和环境有着负面的影响，与目前国家倡导的环保政策格格不入；此外，碲元 素因着它的低熔点、低蒸汽压，容易在高温制备过程中产生挥发，它对半导体工艺的污染问题在目前也是属于未知数，对半导体生产线有一定威胁，所以极大限制和阻碍了含碲相变存储器的开发和研究；最后，Ge-Sb-Te材料是 三种元素的合金，各种元素都具有不同的化学和物理性能，给微细加工等后 续工艺带来不便。综上所述，目前相变存储器用相变材料还有一些需要改进的地方，特别 是材料中的碲如果能被取代或者去除，那将对相变存储器的发展提供一个新 的机遇。这正是本发明的发明基点。发明内容本发明的目的在于提供一种用于存储器的无碲存储材料、制备方法及应 用，所提供的存储材料是一种具有可逆变化能力的材料硅-锑（SixSb100.x， 0

附图说明

图l不同组份的硅-锑材料的差热分析结果，(a)Si4Sb96; (b)Si1()Sb9。； （C)
Si43Sb57。随着硅含量的增加，材料的结晶温度迅速提升。
图2不同组份的硅-锑薄膜电阻率随温度的变化曲线。材料中硅含量的
增加不仅提高了材料结晶温度，而且提升了材料电阻率。
图3不同组份的硅-锑薄膜电阻率随退火温度的变化曲线。
图4经过不同温度退火后SiK)Sb9o薄膜的X射线衍射图谱，（a)为150
。C 5分钟退火，（b)为300 °C 5分钟退火。当材料中硅含量为10a"/o时，
材料在适当温度退火时有相变行为。
具体实施方式 实施例1
1、 利用磁控溅射共溅射法在热氧化后的硅衬底上制备硅-锑薄膜，溅射 时的氩气气压为0.2 Pa，硅靶和锑靶上的功率分别为射频200瓦和直流30 瓦，制备出的薄膜厚度为200纳米。能谱分析表明材料的成份为Si43Sb57。
2、 将得到的Si43Sb57薄膜存储材料在高纯氮气气氛中退火5分钟。
3、 退火后对Si43Sb57材料进行电阻率测试，测试结果如图3所示，Si43Sbs7
材料在300 。C以下退火的时候电阻率不降反升,但是当退火温度超过350 °C
后电阻率迅速下降。差热分析表明，Si43Sb57材料的结晶温度为314 。C，远远高于Ge2Sb2Te5，使得基于Si43Sb57的存储器具有Ge2Sb2Tes无法匹敌的数 据保持能力。 实施例2
1、 在衬底上利用磁控溅射100纳米的Au掺杂的SiwSb82薄膜，具体条 件为：硅靶、锑靶和金靶上的功率分别为射频100瓦、直流30瓦和直流20 瓦，溅射时的氩气气压为1 Pa。
2、 通过差热分析测试材料的结晶温度为225。C。
3、 该掺金的材料与为掺杂的材料比较特点在于：材料的结晶温度相差 不大，但是掺杂后熔点下降很多，大约在55(TC左右，降低使其熔化所需要 的能量，也就降低了存储器件的功耗，但是存储器件还是具有很好的数据保 持能力。