用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料

摘要

本发明揭示了一种用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其组分为SicSbaSeb.，其中，48≤b≤60，20≤a≤40，8≤c≤40，a+b+c＝100；或60≤b≤80，20≤a≤40，3≤c≤20，a+b+c＝100。与现有技术相比，本发明所述的Si-Sb-Se相变薄膜材料比常用的Ge2Sb2Te5材料具有更快的结晶速度，可以有更快的读写速度，有着更好的数据保持特性，有着比SbSe两元材料更好的热稳定性。同时该材料不含元素Te，是一种环境友好材料，与CMOS工艺兼容性好。

权利要求

1.一种用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其组分为SicSbaSeb，，其中，

48≤b≤60，20≤a≤40，8≤c≤40，a+b+c＝100；或

60≤b≤80，20≤a≤40，3≤c≤20，a+b+c＝100。

2.如权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其组分为Si22Sb22Se56、Si14Sb29Se57、及Si8Sb33Se59中的一者。

3.如权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其组分为Si10(Sb70Se30)90或Si5(Sb70Se30)95。

4.如权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其为通过电脉冲使电阻在低阻和高阻间可逆转换的材料，且其高阻态的阻值比低阻态阻值最少大2倍。

5.如权利要求4所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其为通过调节所施加电脉冲的高度和波形，能实现2个以上稳定的电阻值以实现多态存储的材料。

6.如权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其为通过至少一个激光脉冲能够改变反射率的材料。

7.如权利要求1所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其特征在于：其为能够通过激光脉冲实现不同反射率之间的可逆转换的材料。

说明书

用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微电子领域的相变薄膜材料，特别涉及一种用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料。

背景技术

[0002] 存储器在半导体市场中占有重要地位，仅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH两种就占有整个市场的15％，随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前FLASH占不挥发存储器的主流，约占90％。但随着半导体技术的进步，FLASH遇到了越来越多的技术瓶颈，首先存储电荷的浮栅不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄，此外，FLASH技术的其它一些缺点也限制了它的应用，例如数据写入慢、写数据时需要高电压导致功耗大，需要特殊的电压提升结构导致电路和设计的复杂度增加、可擦写次数低、必须对指定的单元块而不能对指定的单元进写操作等。鉴于这种情况，目前世界上几乎所有电子和半导体行业巨头及其它相关研发机构都在竞相研发新一代不挥发存储器技术，以期在未来激烈的半导体产业竞争中保有技术和市场优势.PCM(Phase Change Memory)--相变存储器作为一种新兴的不挥发存储技术，在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面都具有极大的优越性，成为未来不挥发存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一。

[0003] 在相变存储器中，Ge2Sb2Te5是典型的相变材料。但是在使用Ge2Sb2Te5材料的相变存储器存在着非晶和多晶转变体积变化大，设置(SET)时间长要100ns以上，甚至超过300ns，这导致Ge2Sb2Te5材料的相变存储器操作速度不能很快。而非晶和多晶转变体积变化大，会影响薄膜与电极的粘附，不利于器件长期稳定工作。同时Te元素于有毒元素，对环境有危害，同时与CMOS工艺的兼容差。

[0004] 因此，如何提供一种非晶和多晶转变体积变化小、设置时间短、操作速度快、能够长期稳定工作的、对环境友好且与CMOS工艺的兼容较好的相变薄膜材料，已成为本技术领域人员急需解决的问题。

[0005] 发明内容

[0006] 本发明的所要解决的技术方案是提供一种非晶和多晶转变体积变化小、设置时间短、操作速度快、能够长期稳定工作的、对环境友好且与CMOS工艺的兼容较好的相变薄膜材料。

[0007] 为解决上述技术方案，本发明提供一种用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其组分为SicSbaSeb，，其中，48≤b≤60，20≤a≤40，8≤c≤40，a+b+c＝100；或60≤b≤80，20≤a≤40，3≤c≤20，a+b+c＝100。

[0008] 较佳地，所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其组分为Si22Sb22Se56，Si14Sb29Se57，或Si8Sb33Se59。

[0009] 较佳地，所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料，还可以表示为Siy(SbxSe100-x)100-y的形式，其中，y＝c，x(100-y)＝a，(100-x)(100-y)＝b；在此表述形式下，其组分为Si10(Sb70Se30)90或Si5(Sb70Se30)95。

[0010] 较佳地，所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料可以通过电脉冲使电阻在低阻和高阻间实现可逆转换，其高阻态的阻值最少比低阻态阻值大2倍。

[0011] 较佳地，通过调节所施加电脉冲的高度和波形，可以实现2个以上稳定的电阻值，可以实现多态存储。

[0012] 较佳地，通过至少一个激光脉冲，能够改变所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料的反射率。

[0013] 较佳地，能够通过激光脉冲实现Si-Sb-Se相变薄膜材料的不同反射率之间的可逆转换。

[0014] 本发明的有益效果在于：本发明所述的Si-Sb-Se相变薄膜材料可以具备快速结晶的特点，以Si10(Sb70Se30)90成分的薄膜为例，在该相变薄膜材料基的存储器可以用极短的时间(低于20ns)使器件从高阻态转变到低阻态，以Ge2Sb2Te5材料的存储器一般要100ns。短的操作脉冲可以得到快的操作速度，所以该种相变材料具备比GST材料更快的操作速度。

[0015] 与现有技术相比，本发明所述的Si-Sb-Se相变薄膜材料比常用的Ge2Sb2Te5材料具有更快的结晶速度，可以有更快的读写速度，有着更好的数据保持特性，有着比SbSe两元材料更好的热稳定性。同时该材料不含元素Te，是一种环境友好材料，与CMOS工艺兼容性好。

[0016] 附图说明

[0017] 图1为一相变存储单元结构示意图。

[0018] 图2为Si-Sb-Se相变薄膜的电阻与退火温度的关系曲线。

[0019] 图3为采用(Sb70Se30)90Si10制备的相变存储单元的SET-RESET过程的测试图。

[0020] 具体实施方式

[0021] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

[0022] 实施例一

[0023] 本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其具体组分为SicSbaSeb，其中：

[0024] 48≤b≤60，20≤a≤40，8≤c≤40，a+b+c＝100；

[0025] 较佳的，本发明提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料成分具体为Si22Sb22Se56，Si14Sb29Se57，或Si8Sb33Se59。

[0026] SicSbaSeb还可以表示为Siy(SbxSe100-x)100-y的形式，

[0027] 其中，y＝c，x(100-y)＝a，(100-x)(100-y)＝b。

[0028] 实施例二

[0029] 本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料，其具体组分为SicSbaSeb，其中：

[0030] 60≤b≤80，20≤a≤40，3≤c≤20，a+b+c＝100；

[0031] 较佳的，当表示形式为(SbxSe1-x)1-ySiy时，本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料成分具体为Si10(Sb70Se30)90，Si5(Sb70Se30)95。

[0032] 本发明所述的Si-Sb-Se相变薄膜材料可以通过多靶共溅射的方法制备。通过调节不同靶材对应的功率可以获得需要的成分比例。所述的Si-Sb-Se相变薄膜材料也可以通过合金靶单靶溅射的方法制备。该材料可以通过化学气相沉积的方法制备，包括原子层沉积方法(ALD)，或者通过电子束蒸发，脉冲激光沉积方法制备，也可以通过在Si-Sb-Se薄膜中离子注入元素Si来获得需要原子比例的材料。还可以通过至少一个激光脉冲改变所述Si-Sb-Se相变薄膜材料的反射率，或通过激光脉冲实现Si-Sb-Se相变薄膜材料的不同反射率之间的可逆转换。

[0033] 请参阅图1，上述实施例中的相变薄膜材料，可用于以下结构的相变存储单元，该相变单元包括下电极1、本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料2、上电极3及介质4(SiO2)。本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料2在该相变存储单元内为关键的存储介质。

[0034] 本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料不局限于该种相变存储器结构，凡是用于相变存储器的各种单元结构都可以使用，包括其它可以使用该类利用该材料非晶和多晶电学性能不同的特性的其他功能器件。事实上，只要具有上电极与下电极，并在电极之间填充发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料，就可以构成相变存储单元。上下电极材料可以采用W，Ti，TiN，TiW，石墨，TiAlN或者其它导电材料，在不同结构中，电极结构和尺寸可以不同，关键存储介质，即本发明所提供的Si-Sb-Se相变薄膜材料的几何形状和尺寸也可以不同。该相变存储单元可以单独制备，也可以和MOS、三极管、二极管整合形成阵列或者存储器。

[0035] 当Si-Sb-Se相变薄膜处于非晶态时，薄膜电阻为高阻态，随着温度的升高，薄膜开始结晶发生相变，同时表现出电阻降低，当薄膜结晶后，薄膜电阻处于低阻态，这个过程在相变存储器件中可以通过施加电脉冲来实现，而非晶高阻和多晶低阻可以通过施加电脉冲实现可逆转换。如图2所示，Si-Sb-Se相变薄膜的电阻与退火温度的关系曲线中，Si-Sb-Se相变薄膜的晶化温度随着Si含量的增加而提高，一直到Si含量为8％。当相变薄膜材料的成分为(Sb70Se30)92Si8，薄膜的晶化温度到了583K，薄膜非晶态电阻和多晶态电阻的比大于4个数量级，表明(Sb70Se30)92Si8非常适合用于相变存储器用于存储介质。随着Si含量继续增加，薄膜的晶化温度开始降低，但是薄膜非晶态电阻和多晶态电阻的比依然保持很大的空间，当Si的含量从12％继续增加，Si-Sb-Se薄膜的晶化温度又开始提高，并且非晶态电阻变化不大，然而晶化过程变慢。

[0036] 示差热分析(DSC)显示在(Sb70Se30)90Si10相变材料的熔点为550度左右，与Sb70Se30熔点比较变化不大，该熔点比Ge2Sb2Te5材料的熔点相变640度相比降低16％，这就意味这RESET操作的功耗下降10％左右。在实际生产中，器件电阻值可以变化2倍到4个数量级，器件电阻的变化量与含硅硫族化合物相变薄膜组分和器件结构以及尺寸有关。通过调节施加电脉冲的高度和波形，可以实现2个以上稳定的电阻值，可以实现多态存储。

[0037] 请参阅图3，含硅硫族化合物相变薄膜材料具有Sb基合金高速晶化的特点，在基于含硅硫族化合物相变薄膜材料的测试存储单元中，最短20ns的设置脉冲(SET PLUSE)可以使薄膜晶化，也就是说器件从高阻态到低阻态的速度为20ns，该速度远低于Ge2Sb2Te5相变存储器通常报道的100ns~200ns的设置(SET)速度。而设置速度是相变存储器操作速度慢的瓶颈，设置速度提高了，相变存储器的速度才能提高，因此含硅硫族化合物相变薄膜材料与Ge2Sb2Te5相比可以具有更快的设置速度，同时可以降低功耗10％左右，是一种高速低功耗相变存储器使用材料。

[0038] 通过至少一个激光脉冲，能够改变所述的用于相变存储器的Si-Sb-Se相变薄膜材料的反射率，也能够实现Si-Sb-Se相变薄膜材料的不同反射率之间的可逆转换。

[0039] 含硅硫族化合物相变薄膜材料的非晶态稳定性能优于传统的Ge2Sb2Te5材料。对于一个具体的实施例来说，(Sb70Se30)96W4材料可以在150度保持非晶十年，不发生晶化，而Ge2Sb2Te5材料薄膜保持非晶化十年的温度是80度左右。采用优化的含硅硫族化合物相变薄膜作为相变存储器的存储介质有助于提高存储器的数据保持性能，提高数据的保持可靠性。

[0040] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。