用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料制造技术

一种微电子技术领域的用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，包括３种类型，其一是Ｔｅ↓［ａ］Ｓｉ↓［ｂ］Ｓｂ↓［１００－（ａ＋ｂ）］合金薄膜，其二是Ｓｉ掺杂进入Ｇｅ－Ｓｂ－Ｔｅ合金之中形成的（Ｔｅ↓［ａ］Ｇｅ↓［ｂ］Ｓｂ↓［１００－（ａ＋ｂ）］）↓［ｃ］Ｓｉ↓［１００－ｃ］薄膜，其三是Ｓｉ部分取代Ｇｅ－Ｓｂ－Ｔｅ合金中的Ｇｅ得到的Ｔｅ↓［ａ］Ｓｉ↓［ｃ］Ｇｅ↓［（ｂ－ｃ）］Ｓｂ↓［１００－（ａ＋ｂ）］合金薄膜。本发明专利技术具有比常用的Ｇｅ↓［２］Ｓｂ↓［２］Ｔｅ↓［５］相变薄膜较高的晶态电阻，同时具有更高的非晶态／晶态电阻变化率，更低的非晶态／晶态薄膜厚度变化率和更低的熔点。这些特征使得采用含Ｓｉ系列硫族化物相变薄膜的存储器可以具有更高的开／关比和器件稳定性，有助于降低存储器的写操作电流，同时有利于实现更高密度的多值存储。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微电子
的材料，具体是一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料。
技术介绍
相变存储器技术的基本原理是利用相变薄膜材料作为存储介质，相变薄膜在非晶态和晶态时电阻率有很大的差异，采用编程的电脉冲可以使相变薄膜在非晶态和晶态之间可逆的转换，从而使相变存储单元在高阻和低阻之间可逆的转变。而且存储单元的状态是非易失性的，即当设置为任意一个状态时，即使切断电源，存储单元仍保持为该状态的电阻值，除非重新设置存储单元的状态。存储单元由电介质材料定义的细孔所限定，相变薄膜沉积在细孔中，相变薄膜在细孔的两端上连接电极。电极接触使电流通过该通道产生焦耳热对该单元进行编程，或者读取该单元的电阻状态。利用相变薄膜作为存储介质来实现信息存储的相变存储器，可追溯到1970年，但由于当时微电子技术的限制，并没有发展出实用的相变存储器。随着微电子技术的发展，有人提出了用于相变存储器的相变薄膜是硫族化物合金，主要成分TeaGebSb100-(a+b)，其中a小于等于70％，b在15％～50％的范围之内。直至目前为止，相变存储器的典型相变薄膜都是硫族化物合金Ge-Sb-Te薄膜，一种特别适合的材料是Ge22Sb22Te56(即Ge2Sb2Te5)薄膜。相变存储器中的Reset过程是通过电脉冲将相变薄膜熔化，并形成非晶态的过程，需要比Set过程(即晶化过程)更多的能量，因此降低Reset电流(写电流)是目前相变存储技术的关键问题。经对现有技术的文献检索发现，2003年，Samsung公司在IEEE国际电子器件会议(IEDM)上提出了氮掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜(“Writing current reductionfor high-density phase-change RAM”，Y.N.Hwang，S.H.Lee，et al.IEDM，2003，pp893)，利用氮掺杂Ge2Sb2Te5薄膜较高的晶态(开态)电阻，在器件的Reset过程中实现更好的能量传输，从而达到降低写操作电流的目的。由于氮掺杂降低了Ge2Sb2Te5薄膜的非晶态/晶态电阻变化率，在器件中使用氮掺杂Ge2Sb2Te5薄膜虽然能够降低写操作电流，但是却降低了器件的开/关比。器件中的相变薄膜在存储过程中要反复经历熔化、迅速冷却形成非晶态、受热结晶形成晶态的循环过程。在这个过程中，相变薄膜的厚度会发生变化，如果变化过大，将影响到相变薄膜和电极或其它膜层的接触，从而影响器件的稳定性。常用Ge2Sb2Te5薄膜在非晶态和晶态的厚度变化比较大，不利于器件长期稳定的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，使其用于相变存储器和相变光盘中的存储介质，既可以降低写操作电流，又可以提高相变存储器的开/关比，同时能提高相变存储器和相变光盘的稳定性和循环寿命。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术所述的硫族化物相变薄膜材料包括3个系列其一，为Si掺杂进入TeaGebSb100-(a+b)合金形成的(TeaGebSb100-(a+b))cSi100-c薄膜，其中48≤a≤60，8≤b≤40，Si掺杂量c的范围在1到20原子百分比之间。其二，为Si元素部分取代TeaGebSb100-(a+b)合金中的Ge元素形成的TeaGeb-cSicSb100-(a+b)合金薄膜，其中48≤a≤60，8≤b≤40，Si取代量c的范围可以从1到40原子百分比。其三，为硫族化物合金TeaSibSb100-(a+b)，其中48≤a≤60，8≤b≤40。尤其是相变介质Si22Sb22Te56(即Si2Sb2Te5)、Si14Sb29Te57(即SiSb2Te4)、Si8Sb33Te59(即SiSb4Te7)薄膜。也就是Si元素完全取代Ge-Sb-Te合金中的Ge元素，即当c＝40，即Si元素全部取代Ge元素时，形成的完全不包含Ge的Si-Sb-Te合金材料。本专利技术含Si系列硫族化物相变薄膜可以采用多靶共溅射的方法制备，各种元素分别对应不同的靶，通过在每个靶上施加不同的功率可以控制最终薄膜的成分。含Si系列硫族化物相变薄膜也可以采用溅射合金靶的方式制备，即首先制备相应成分的硫族化物合金靶材，再通过溅射合金靶得到所需成分的薄膜。还可以采用蒸发、或电子束蒸发硫族化物合金来制备含Si系列硫族化物相变薄膜，还可以对相应的元素材料进行共蒸发等其它的薄膜沉积方法来制备含Si系列硫族化物相变薄膜。Si掺杂Ge-Sb-Te合金薄膜还可以通过对Ge-Sb-Te薄膜中离子注入Si来实现。本专利技术上述的含硅系列硫族化物相变薄膜材料可以通过至少一个电脉冲来改变相变薄膜的电阻，并且电阻值可以变化几个数量级；可以通过电脉冲实现相变薄膜从高阻态到低阻态之间的可逆转变；可以通过调节电脉冲的高度和宽度使相变薄膜实现2个以上的、稳定的电阻值，从而实现多值存储；可以通过至少一个激光脉冲来改变相变薄膜的反射率；可以通过激光脉冲实现相变薄膜不同反射率状态之间的可逆转变。本专利技术的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其开态(晶态)电阻率比目前常用的相变介质Ge2Sb2Te5薄膜增加50％到8倍，有助于在相变存储器的Reset过程中实现更好的能量传输，从而达到降低写操作电流的目的。本专利技术含硅系列硫族化物相变薄膜材料，在具有较高晶态电阻的同时，其非晶态电阻率达到了1.2×106～3.2×107mΩcm，比常用的相变介质Ge2Sb2Te5薄膜增加了1.5～36倍。新的相变薄膜材料系列比目前常用的相变介质Ge2Sb2Te5薄膜的非晶态/晶态电阻变化率最大增加了约11倍，最大可以提高相变存储器的开/关比(即电阻变化的动态范围)一个数量级。较大的器件电阻变化范围可以更好的保证数据读出的可靠性。较大的器件电阻变化范围也使得在相变存储器中应用多值存储技术(multilevel)时，可以插入更多的中间状态，从而获得更高的存储密度。本专利技术含硅系列硫族化物相变薄膜材料，处于晶态或非晶态时，其厚度变化为1.3～6.1％，小于常用的相变介质Ge2Sb2Te5薄膜(6.8％)。采用厚度变化较小的相变薄膜有利于提高相变存储器和相变光盘的稳定性和循环寿命。本专利技术含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其熔点为590℃～630℃，比常用的相变介质Ge2Sb2Te5薄膜低50～10度。因此，在相变存储器中使用能量较小的电脉冲就能使其发生相交，从而降低相变存储器的写操作电流。而在相变光盘中使用能量较小的激光脉冲，就可以使其相变，有助于提高光盘的寿命。附图说明图1为相变存储单元结构示意图。图2为本专利技术的Si掺杂Ge2Sb2Te5薄膜与常用的Ge2Sb2Te5薄膜的电阻率与退火温度的关系曲线。图3为本专利技术的Si掺杂Ge2Sb2Te5材料与常用的Ge2Sb2Te5合金材料的示差热分析(DSC)曲线图。图4为本专利技术的Si-Sb-Te薄膜与常用的Ge2Sb2Te5薄膜的电阻率与退火温度的关系曲线。图5为本专利技术的Si-Sb-Te合金与常用的Ge2Sb2Te5合金材料的示差热分析(DSC)曲线图。图6为将本专利技术的一个特别例Si2Sb2Te5薄膜用于图1所示的结构中时，其器件电阻与所使用的脉冲电压的关系。具体实施例方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其特征在于，为Ｓｉ掺杂进入Ｔｅ↓［ａ］Ｇｅ↓［ｂ］Ｓｂ↓［１００－（ａ＋ｂ）］合金形成的（Ｔｅ↓［ａ］Ｇｅ↓［ｂ］Ｓｂ↓［１００－（ａ＋ｂ）］）↓［ｃ］Ｓｉ↓［１００－ｃ］薄膜，其中：４８≤ａ≤６０，８≤ｂ≤４０，Ｓｉ掺杂量ｃ的范围在１到２０原子百分比之间。

【技术特征摘要】
1.一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其特征在于，为Si掺杂进入TeaGebSb100-(a+b)合金形成的(TeaGebSb100-(a+b))cSi100-c薄膜，其中48≤a≤60，8≤b≤40，Si掺杂量c的范围在1到20原子百分比之间。2.一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其特征在于，为Si元素部分取代TeaGebSb100-(a+b)合金中的Ge元素形成的TeaGeb-cSicSb100-(a+b)合金薄膜，其中48≤a≤60，8≤b≤40，Si取代量c的范围从1到40原子百分比。3.一种用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其特征在于，为硫族化物合金TeaSibSb100-(a+b)，其中48≤a≤60，8≤b≤40。4.根据权利要求3所述的用于相变存储器的含硅系列硫族化物相变薄膜材料，其特征是，为硫族化物合金TeaSibSb100-(a+b)，尤其是相变介质Si22Sb22...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯洁，乔保卫，赖云锋，蔡炳初，陈邦明，
申请(专利权)人：上海交通大学，硅存储技术公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]