一种In2Te3相变记忆元件及其制备方法技术

一种Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］相变记忆元件及其制备方法，采用Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜为相变记忆存储材料，所述Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜在室温下为非晶态，在经过４５０－４７０℃退火后变成结晶态，相变记忆元件的基本构型为三层结构，由一层Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜夹在顶电极膜与底电极膜之间构筑而成，由顶电极膜和底电极膜分别接出用金丝或铜丝制成引线。本发明专利技术在测试中实现了开关效应，具有如下特性：Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜结晶态与非晶态的电阻值差异明显，可以达到３～４个数量级；相变速度／读写速度快且工作电压低，所需的电压脉冲达到了ｎｓ量级；可以在高低阻态之间进行多次循环转变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属微电子器件及其材料领域，具体涉及应用于集成电路的一种新型可快速读 写的高密度的基于In2Te3薄膜材料的非晶态、结晶态相变记忆元件及In2Te3薄膜材料的 制备方法，为一种Iri2Te3相变记忆元件及其制备方法。
技术介绍
近半个世纪以来，集成电路的发展基本遵循了G.E. Moore提出的预言"单个芯片 上集成的元件数每十八个月增加一倍"。而随着半导体技术的不断发展以及越来越多的 电子设备融入人们的工作生活之中，传统器件已经不能满足人们的基本需求。所以，发 展新型的，具有高密度、低能耗、高速度反复读写能力的存储技术和器件，已经成为当 前信息技术发展中一个重要的课题。当前被广泛使用的信息存储设备主要是非易失性存储器。这类非易失存储器在没有 电源支持的时候，仍然能够保存原来的数据，所以广泛用于信息系统的数据保存，如计 算机、数码设备、工控设备等。然而当前使用的非易失性磁性介质存储器，由于在读写 过程中磁头与记录介质要发生机械移动，因而无法实现快速读写，记录密度也难以进一 步提高。为了满足互联网、多媒体和三维动画等领域不断增长的信息处理和存储的要求, 人们希望获取超大容量的记录载体。伴随计算机通讯技术的迅猛发展,信息储存介质的 发展也突飞猛进。近年来一些新型非挥发存储器一相变存储器和阻变存储器的发展引人 注目，被认为是可行性高而风险较小的纳米存储器件。不同于传统的基于电荷存储的非 挥发存储器技术，比如硬盘(HDD)和闪存(Flash)，新型的非挥发存储技术是基于电阻的 改变。相转变存储器(PRAM)是利用硫系化合物半导体在非晶态和晶态两种晶体结构间 进行可逆相变并稳定保持的特性制备的非挥发存储器。相转变存储器的读写操作的速度 很快，与DRAM相当，可操作次数高，结构简单，面积小，易于实现高密度存储，并 且与CMOS工艺兼容性好，因而受到人们的广泛重视。迄今为止，已经有一些相变材 料得到了广泛应用，例如Ge2Sb2Tes(GST)已经被广泛应用到CD和DVD等一些光学存 储设备中。而更多更新的相变记忆存储材料正在被不断地发现研究，并将在未来的新型 存储技术和器件中占有重要的地位。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是针对相变记忆存储器的发展，提供一种新型相变记忆材料In2Te3薄膜及其制备方法，以及In2Te3相变记忆元件及其制备方法。本专利技术的技术方案为 一种In2Te3相变记忆元件，采用1112化3薄膜为相变记忆存储 材料，所述In2Te3薄膜在室温下为非晶态，在经过450—470。C退火后变成结晶态，相 变记忆元件的基本构型为三层结构，由一层In2Te3薄膜夹在顶电极膜与底电极膜之间构 筑而成，由顶电极膜和底电极膜分别接出用金丝或铜丝制成引线。顶电极膜与底电极膜为铂Pt或金Au，厚度在100纳米至1微米之间。 在底电极膜上沉积厚度为30纳米至300纳米的二氧化硅薄膜绝缘层，并在此绝缘 层上刻蚀直径为30纳米至IO微米的微孔，露出底电极膜，所述微孔的尺寸为记忆元 件有效工作区域的尺度；绝缘层上面沉积In2Te3薄膜，In2Te3薄膜厚度为100纳米至500 纳米，在绝缘层被刻蚀了微孔的部位，In2Te3薄膜与底电极膜必须紧密接触。本专利技术相变记忆元件所述三层结构制备在相变记忆元件衬底上，相变记忆元件衬底 包括硅片、石英陶瓷片、二氧化硅薄层覆盖的硅片。本专利技术的Iri2Te3薄膜釆用脉冲激光沉积方法，在脉冲激光沉积制膜系统中制备，步 骤如下a) 、 In2Te3靶材采用悬浮熔炼冷坩埚设备制得在650 750。C熔化摩尔配比为2: 3 的In和Te的混合物，形成合金，然后将获得的合金块体打磨切割成靶材；b) 、将ln2Te3耙材固定在脉冲激光沉积制膜系统的靶台上，衬底固定在衬底台上， 电阻加热炉安置在衬底台的下方，靶台、衬底、衬底台和电阻加热炉都设置在脉冲激光 沉积制膜系统的生长室中；c) 、将生长室真空到5.0X10^Pa以下；d) 、启动激光器，使激光束通过石英玻璃透镜聚焦在In2Te3靶材上；e) 、根据单脉冲能量，确定沉积时间，在衬底上沉积厚度为30纳米至2000纳米厚 的In2Te3薄膜，沉积在衬底上的In2Te3薄膜为非晶态；f) 、 In2Te3薄膜沉积完成后，用电阻加热炉加热衬底台，使衬底温度设定在460'C， 进行退火处理，得到结晶态的Iri2Te3薄膜。本专利技术In2Te3相变记忆元件的制备方法包括以下步骤a)、在相变记忆元件衬底上射频磁控溅射方法沉积底电极膜，相变记忆元件衬底包 括硅片、石英陶瓷片、二氧化硅薄层覆盖的硅片；b)、在底电极膜上利用射频磁控溅射方法沉积一层二氧化硅绝缘层； C)、在绝缘层中利用聚焦离子束刻蚀法加工出微孔，露出下部的底电极膜，所述微 孔的尺寸为记忆元件有效工作区域的尺度；d) 、用刻有孔洞的金属掩模板覆盖在加工出微孔的绝缘层上，掩模板的孔洞大于绝 缘层的微孔，并与微孔进行对准；e) 、将经上述步骤a)、 b)、 c)、 d)得到的沉积了底电极膜、绝缘层，并覆盖有掩 膜板的相变记忆元件衬底放入脉冲激光沉积制膜系统的生长室，利用脉冲激光沉积技术 沉积In2Te3薄膜，In2Te3薄膜在沉积过程中将绝缘层上的微孔完全填满，使1112^3薄膜 与底电极膜紧密接触；f) 、通过金属掩模板用磁控溅射方法在步骤e)得到的元件的Iii2Te3薄膜上沉积顶 电极膜；g) 、最后分别由底电极膜和顶电极膜接出引线。本专利技术使用In2Te3薄膜制备非挥发性的相变记忆元件的工作原理为 在相变记忆元件中，是以硫系化合物为存储介质，夹在两个非反应电极之间，如 Pt等，利用电能/热量使材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转换实现信息 的写入与擦除，信息的读出靠测量电阻的变化实现。简单地讲，写入过程是指加一个短 而强的电压脉冲，电能转变成热能,使硫系化合物温度升高到熔化温度以上，经快速冷 却，可以使多晶的长程有序遭到破坏，从而实现由多晶向非晶的转化；擦除过程则指施 加一个长且强度中等的电压脉冲，硫系化合物的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以 下，并保持一定的时间，使硫系化合物由无定形转化为多晶；数据的读取是通过测量硫 系化合物的电阻值来实现的，此时所加脉冲电压的强度很弱，产生的热能只能使硫系化 合物的温度升高到结晶温度以下，并不引起材料发生相变。本专利技术提供的In2Te3相变记忆元件具有优良的开关特性，它完全具有非挥发相变存 储器的读取一写入一读取一擦除的功能。如将低电阻态定义为"写入"或"1"，将高 电阻态定义为"擦除"或"0"。由高阻态转变为低阻态可通过30ns， 3.5V的电压脉冲 实现；低阻态向高阻态的转变可通过100ns， 1.4V的电压脉冲实现，该新型非挥发相变 记忆元件的读出脉冲电压明显低于写入/擦除脉冲电压，因此它在读出时并不改变器件 中存储的信息，因而是一种非破坏性读出记忆原件；由于本专利技术的In2Te3相变记忆元件 只有两条引出线，全部读取一写入一读取一擦除操作都由电信号通过这两条引出线完 成，没有任何机械运动接触，它具有结构简单的特点并可实现快速读写；同时，由于本专利技术的Iri2Te3相变记忆元件存储信息的基本原理是器件中相变导致的高、低电阻态，在 信息存储期间不需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］相变记忆元件，其特征是采用Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜为相变记忆存储材料，所述Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜在室温下为非晶态，在经过４５０－４７０℃退火后变成结晶态，相变记忆元件的基本构型为三层结构，由一层Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜（１３）夹在顶电极膜（１４）与底电极膜（１１）之间构筑而成，由顶电极膜（１４）和底电极膜（１１）分别接出用金丝或铜丝制成引线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：殷江，朱颢，夏奕东，刘治国，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]