相變存儲器單元的制備方法、相變材料及相變存儲器單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的相變存儲器單元的制備方法,采用吸附有金納米顆粒的襯底,以由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源,將上述蒸發(fā)源與襯底置于水平管式爐內(nèi),在一定的條件下進行化學(xué)反應(yīng),得到沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的襯底,將上述襯底上的錫摻雜碲化鍺納米線遷移至2英寸SiO2/Si表面各個小金屬框的中心處,烘干;再分別采用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離技術(shù)得到所述相變存儲器單元,即錫摻雜碲化鍺納米線兩端電極器件,上述相變存儲器單元通過對相變材料摻雜錫粉末進行改性,從而提高了相變材料的電阻率,降低了相變材料的熔點,從而有效降低相變材料的操作功耗。另外,本發(fā)明還提供了一種相變材料及相變存儲器單元。
【專利說明】相變存儲器單元的制備方法、相變材料及相變存儲器單元
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其涉及一種相變存儲器單元的制備方法?!尽颈尘凹夹g(shù)】】
[0002]相變存儲器(phase change memory ;PCM)是一種基于相變理論的存儲器:材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài),再由多晶態(tài)變回非晶態(tài)的過程中,其非晶態(tài)和多晶態(tài)會呈現(xiàn)出不同的電阻特性,可從利用非晶態(tài)和多晶態(tài)來存儲‘0’和‘I’的數(shù)據(jù)信息。此外,由于其最終的狀態(tài)并不會隨著外加能量的消失而改變,因此,具有非揮發(fā)性的特點。相變存儲器具有讀取速度、可靠度、非破壞性讀取、非揮發(fā)性、尺寸微小化以及成本方面等優(yōu)點,使其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。正因為有這些顯著的優(yōu)點,使得相變存儲器極有可能替代目前的Flash,DRAM,成為未來不揮發(fā)存儲器主流。
[0003]研究表明,很多材料具有相變特性,比如:二元的GeTe系列[Yu D.,WuJ.,Gu Q.andPark H.,J.Am.Chem.Soc.2006,128 (25) ,8148-8149.],Sb2Te3 系列[Lee J.,Brittman S.,Yu D.,Park H., J.Am.Chem.Soc.2008,130 (19),6252-6258.]及三元的Ge2Sb2Te5系列[SunX., Yu B.and Meyyappan M.,Appl.Phys.Lett.2007,90 (18),183116-3.]。然而,寫操作電流大(接近毫安量級)已成為阻礙其商用化的關(guān)鍵問題之一,大電流需要大尺寸的晶體管驅(qū)動,造成外圍電路規(guī)模過大,存儲芯片面積據(jù)高不下。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲器單元的制備方法,該相變存儲器單元具有較低的寫操作電流。
[0005]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0006]一種相變存儲器單元的制備方法,包括下述步驟:
[0007]SllO:提供一襯底,并在所述襯底表面吸附金納米顆粒;
[0008]S120:將由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源;
[0009]S130:將所述襯底和所述蒸發(fā)源于惰性環(huán)境中加熱,且使所述襯底置于所述蒸發(fā)源的下風(fēng)向處;
[0010]S140:將所述襯底升溫至360~420 °C后保溫60~90min,所述蒸發(fā)源升溫至510~540°C后保溫60~90min,并在升溫過程中持速通入所述惰性氣體;
[0011]S150:通入所述惰性氣體使所述襯底和所述蒸發(fā)源冷卻至室溫,得到沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的襯底;
[0012]S160:將步驟S150中得到的襯底置于乙醇中進行超聲、靜置,錫摻雜碲化鍺納米線分散在乙醇中形成懸浮液;
[0013]S170:將所述懸浮液的上層溶液,滴在由Si02/Si形成的各個小金屬框的中心處,烘干;
[0014]S180:將步驟S170中得到的Si02/Si分別采用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離技術(shù)得到所述相變存儲器單元。
[0015]在一些實施例中,步驟SllO中,提供一襯底,并在所述襯底表面吸附金納米顆粒,包括下述步驟:
[0016]Slll:依次用丙酮、異丙醇、去離子水對襯底超聲清洗后用氮氣吹干;
[0017]S112:將清洗后的襯底浸泡在帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸水溶液中,并置于去離子水中漂洗;
[0018]S113:再將上述襯底浸泡于金膠體溶液中,所述襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒;
[0019]S114:用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的襯底。
[0020]在一些實施例中,步驟S120中,所述錫粉末和碲化鍺粉末的摩爾比為2:1~5:1。
[0021]在一些實施例中,步驟S130中,所述惰性環(huán)境的壓力為20~30Torr。
[0022]在一些實施例中,步驟S130中,所述襯底置于所述蒸發(fā)源的下風(fēng)向處,且置于距所述蒸發(fā)源25~28cm的位置或40~42cm的位置。
[0023]在一些實施例中,步驟S140中,通入所述惰性氣體的流速為200~220sccm。
[0024]在一些實施例中,所述惰性氣體為氬氣。
[0025]在一些實施例中,步驟S170中,所述Si02/Si形成的各個小金屬框是預(yù)先利用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離工藝形成的,所述Si02/Si的尺寸為2英寸。
[0026]在一些實施例中,所述金膠體溶液的尺寸為20nm。
[0027]另外,本發(fā)明還提供了一種用于相變存儲的相變材料,包括錫和碲化鍺。
[0028]另外,本發(fā)明還提供了一種相變存儲器單元,所述的相變材料。
[0029]采用上述技術(shù)方案,本發(fā)明的有益效果在于:
[0030]本發(fā)明提供的相變存儲器單元的制備方法,采用吸附有金納米顆粒的襯底,以由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源,將上述蒸發(fā)源在一定的條件下與上述襯底進行化學(xué)反應(yīng),得到沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的襯底,再將上述襯底采用紫外光刻和磁控濺射技術(shù)得到所述相變存儲器單元,上述相變存儲器單元通過對相變材料摻雜錫粉末進行改性,從而提高了相變材料的電阻率,降低了相變材料的熔點,從而有效降低相變材料的操作功耗。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0031]圖1為本發(fā)明提供的相變存儲器單元的制備方法的步驟流程圖;
[0032]圖2為本發(fā)明提供的在襯底表面吸附金納米顆粒的步驟流程圖;
[0033]圖3為本發(fā)明提供的相變存儲器單元的的掃描電鏡圖。
【【具體實施方式】】
[0034]為了使本發(fā)明的目的 、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及具體實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
[0035]在申請文件中,諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來,而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且,術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含,從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素,而且還包括沒有明確列出的其他要素,或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下,由語句“包括一個……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0036]請參閱圖1,圖1為本發(fā)明實施例提供的相變存儲器單元的制備方法的步驟流程100,包括下述步驟:
[0037]SllO:提供一襯底,并在所述襯底表面吸附金納米顆粒;
[0038]優(yōu)選地,上述襯底為硅襯底或藍寶石襯底。
[0039]請參閱圖2,在襯底表面吸附金納米顆粒,包括下述步驟:
[0040]Slll:依次用丙酮、異丙醇、去離子水對襯底超聲清洗后用氮氣吹干;
[0041]S112:將清洗后的襯底浸泡在帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸水溶液中,并置于去離子水中漂洗;
[0042]S113:再將上述襯底浸泡于的金膠體溶液中,所述襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒;
[0043]優(yōu)選地,所述金膠體溶液的尺寸為20nm。 [0044]S114:用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的襯底。
[0045]可以理解,通過上述步驟Slll~S114可以完成在所述襯底表面吸附金納米顆粒。
[0046]S120:將由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源;
[0047]優(yōu)選地,所述錫粉末和碲化鍺粉末的摩爾比為2:1~5:1。
[0048]S130:將所述襯底和所述蒸發(fā)源于惰性環(huán)境中加熱,且使所述襯底置于所述蒸發(fā)源的下風(fēng)向處;
[0049]優(yōu)選地,惰性環(huán)境的壓力為20~30Torr。
[0050]具體地,將上述蒸發(fā)源置于水平管式爐的一溫區(qū)中心,并將附有金納米顆粒的襯底置于蒸發(fā)源的下風(fēng)向處的二溫區(qū);將水平管式爐內(nèi)抽真空至氣壓低于ImTorr后,充入惰性氣體進行充洗,反復(fù)兩次以上,充洗后繼續(xù)通入惰性氣體,并配合通風(fēng)設(shè)備,使水平管式爐的壓力維持在20~30Torr ;
[0051]優(yōu)選地,襯底置于蒸發(fā)源的下風(fēng)向處,且置于距所述蒸發(fā)源25~28cm的位置或40~42cm的位置。
[0052]優(yōu)選地,所述惰性氣體為氬氣。
[0053]S140:將所述襯底升溫至360~420 °C后保溫60~90min,所述蒸發(fā)源升溫至510~540°C后保溫60~90min,并在升溫過程中持速通入所述惰性氣體;
[0054]具體地,對水平管式爐進行加熱,使蒸發(fā)源所處一溫區(qū)升溫至510~540°C,襯底所處二溫區(qū)升溫至360~420°C,且保溫60~90min,并在上述反應(yīng)過程中按200~220sccm的流速持續(xù)通入惰性氣體。
[0055]S150:通入所述惰性氣體使所述襯底和所述蒸發(fā)源冷卻至室溫,得到沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的襯底;
[0056]S160:將步驟S150中得到的襯底置于乙醇中進行超聲、靜置,錫摻雜碲化鍺納米線分散在乙醇中形成懸浮液;[0057]S170:將所述懸浮液的上層溶液,滴在由Si02/Si形成的各個小金屬框的中心處,烘干;
[0058]具體地,將步驟S160中得到的上層懸浮液通過移液槍轉(zhuǎn)移,由Si02/Si形成的各個小金屬框的中心處,烘干;
[0059]其中,所述Si02/Si形成的各個小金屬框是預(yù)先利用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離工藝形成的,所述Si02/Si的尺寸為2英寸。
[0060]S180:將步驟S170中得到的Si02/Si分別采用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離技術(shù)得到所述相變存儲器單元。
[0061]另外,一種本發(fā)明還提供了采用上述方法制備的用于相變存儲的相變材料,其包括錫和締化錯。
[0062]另外,還提供了一種相變存儲器單元,包括上述的相變材料。
[0063]本發(fā)明提供的相變存儲器單元的制備方法,采用吸附有金納米顆粒的襯底,以由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源,將上述蒸發(fā)源在一定的條件下與上述襯底進行化學(xué)反應(yīng),得到沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的襯底,再將上述襯底采用紫外光刻和磁控濺射技術(shù)得到所述相變存儲器單元,上述相變存儲器單元通過對相變材料摻雜錫粉末進行改性,從而提高了相變材料的電阻率,降低了相變材料的熔點,從而有效降低相變材料的操作功耗。
[0064]以下通過實施例進一步闡述本發(fā)明,這些實施例僅用于舉例說明的目的,并沒有限制本發(fā)明的范圍。除注明的具體條件外,實施例中的試驗方法均按照常規(guī)條件進行。
[0065]實施例1
[0066](I)依次用丙酮、異丙醇、去離子水對硅襯底超聲清洗8min,氮氣吹干;將清洗干凈的硅襯底浸泡在帶有正電荷的0.lwt%多聚-L-賴氨酸水溶液中l(wèi)min,隨后取出置于去離子水中漂洗;接著將硅襯底浸泡在20nm的金膠體溶液中l(wèi)min,硅襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒;最后用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的硅襯底;
[0067](2)將純度99.999%的GeTe粉末和99.99%的Sn粉末的0.05g混合物(摩爾比為3:1)組成的蒸發(fā)源放于石英舟內(nèi),并置于水平管式爐的一溫區(qū)中央;
[0068](3)將附有金納米顆粒的硅襯底置于水平管式爐的二溫區(qū)且距蒸發(fā)源為27cm處,并將水平管式爐壓力抽至ImTorr以下,充入高純氬氣進行充洗,反復(fù)兩次,充洗后,通入氣流量為200sccm的氬氣,利用機械泵運轉(zhuǎn)使?fàn)t管內(nèi)壓力維持為20Torr ;
[0069](4)對水平管式爐進行加熱,使蒸發(fā)源所處一溫區(qū)升溫至540°C,襯底所處二溫區(qū)升溫至370°C,并保溫90min,并在升溫過程中持速通入氬氣;
[0070](5)反應(yīng)結(jié)束后,繼續(xù)通氬氣,待管式爐自然降至室溫,取出沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的娃襯底樣品;
[0071](6)將此樣品置于乙醇中超聲5min,靜置一段時間后,每次取2 μ L的上層懸浮液分別滴在2英寸Si02/Si表面各個小金屬框的中心處,再分別利用掩膜板紫外套刻、磁控濺射技術(shù)金屬化和剝離工藝圖案轉(zhuǎn)移等工藝制作相變存儲器單元,即錫摻雜碲化鍺納米線兩端電極器件(如圖3)。
[0072]實施例2[0073](I)依次用丙酮、異丙醇、去離子水對硅襯底超聲清洗8min,氮氣吹干;將清洗干凈的硅襯底浸泡在帶有正電荷的0.lwt%多聚-L-賴氨酸水溶液中l(wèi)min,隨后取出置于去離子水中漂洗;接著將硅襯底浸泡在20nm的金膠體溶液中l(wèi)min,硅襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒;最后用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的硅襯底;
[0074](2)將純度99.999%的GeTe粉末和99.99%的Sn粉末的0.07g混合物(摩爾比為3:1)組成的蒸發(fā)源放于石英舟內(nèi),并置于水平管式爐的一溫區(qū)中央;
[0075](3)將附有金納米顆粒的硅襯底置于水平管式爐的二溫區(qū)且距蒸發(fā)源為42cm處,并將水平管式爐壓力抽至ImTorr以下,充入高純氬氣進行充洗,反復(fù)兩次,充洗后,通入氣流量為220sccm的氬氣,利用機械泵運轉(zhuǎn)使?fàn)t管內(nèi)壓力維持為30Torr ;
[0076](4)對水平管式爐進行加熱,使蒸發(fā)源所處一溫區(qū)升溫至510°C,襯底所處二溫區(qū)升溫至400°C,并保溫60min,并在升溫過程中持速通入氬氣;
[0077](5)反應(yīng)結(jié)束后,繼續(xù)通氬氣,待管式爐自然降至室溫,取出沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的娃襯底樣品;
[0078](6)將此樣品置于乙醇中超聲5min,靜置一段時間后,每次取2 μ L的上層懸浮液分別滴在2英寸Si02/Si表面各個小金屬框的中心處,再分別利用掩膜板紫外套刻、磁控濺射技術(shù)金屬化和剝離工藝圖案轉(zhuǎn)移等工藝制作錫摻雜碲化鍺兩端電極器件。
[0079]實施例3
[0080](I)依次用丙酮、異丙醇、去離子水對硅襯底超聲清洗8min,氮氣吹干;將清洗干凈的硅襯底浸泡在帶有正電荷的0.lwt%多聚-L-賴氨酸水溶液中l(wèi)min,隨后取出置于去離子水中漂洗;接著將硅襯底浸泡在20nm的金膠體溶液中l(wèi)min,硅襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒;最后用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的硅襯底;
[0081](2)將純度99.999%的GeTe粉末和99.99%的Sn粉末的0.09g混合物(摩爾比為3:1)組成的蒸發(fā)源放于石英舟內(nèi),并置于水平管式爐的一溫區(qū)中央;
[0082](3)將附有金納米顆粒的硅襯底置于水平管式爐的二溫區(qū)且距蒸發(fā)源為25cm處,并將水平管式爐壓力抽至ImTorr以下,充入高純氬氣進行充洗,反復(fù)兩次,充洗后,通入氣流量為2IOsccm的氬氣,利用機械泵運轉(zhuǎn)使?fàn)t管內(nèi)壓力維持為25Torr ;
[0083](4)對水平管式爐進行加熱,使蒸發(fā)源所處一溫區(qū)升溫至520°C,襯底所處二溫區(qū)升溫至390°C,并保溫75min,并在升溫過程中持速通入氬氣;
[0084](5)反應(yīng)結(jié)束后,繼續(xù)通氬氣,待管式爐自然降至室溫,取出沉積有錫摻雜碲化鍺納米線的娃襯底樣品;
[0085](6)將此樣品置于乙醇中超聲5min,靜置一段時間后,每次取2 μ L的上層懸浮液分別滴在2英寸Si02/Si表面各個小金屬框的中心處,再分別利用掩膜板紫外套刻、磁控濺射技術(shù)金屬化和剝離工藝圖案轉(zhuǎn)移等工藝制作錫摻雜碲化鍺兩端電極器件。
[0086]以上所述,僅是本發(fā)明的較佳實施例而已,并非對本發(fā)明作任何形式上的限制,雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上,然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi),當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例,但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,包括下述步驟: 5110:提供一襯底,并在所述襯底表面吸附金納米顆粒; S120:將由錫粉末和碲化鍺粉末組成的混合物作為蒸發(fā)源; S130:將所述襯底和所述蒸發(fā)源于惰性環(huán)境中加熱,且使所述襯底置于所述蒸發(fā)源的下風(fēng)向處; S140:將所述襯底升溫至360~420°C后保溫60~90min,所述蒸發(fā)源升溫至510~540°C后保溫60~90min,并在升溫過程中持速通入所述惰性氣體; S150:通入所述惰性氣體使所述襯底和所述蒸發(fā)源冷卻至室溫,得到沉積有錫摻雜碲化錯納米線的襯底; S160:將步驟S150中得到的襯底置于乙醇中進行超聲、靜置,形成懸浮液; S170:將所述懸浮液的上層溶液,滴在由Si02/Si形成的各個小金屬框的中心處,烘干; S180:將步驟S170中得到的Si02/Si分別采用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離技術(shù)得到所述相變存儲器單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟SI10中,提供一襯底,并在所述襯底表面吸附金納米顆粒,包括下述步驟: 5111:依次用丙酮、異丙醇、去離子水對襯底超聲清洗后用氮氣吹干; 5112:將清洗后的襯底浸泡在帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸水溶液中,并置于去離子水中漂洗; 5113:再將上述襯底浸泡于金膠體溶液中,所述襯底表面帶有正電荷的多聚-L-賴氨酸吸引帶有負電荷的金納米顆粒; S114:用去離子水漂洗,氮氣吹干,得到吸附有金納米顆粒的襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟S120中,所述錫粉末和碲化鍺粉末的摩爾比為2:1~5:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟S130中,所述惰性環(huán)境的壓力為20~30Torr。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟S130中,所述襯底置于所述蒸發(fā)源的下風(fēng)向處,且置于距所述蒸發(fā)源25~28cm的位置或40~42cm的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟S140中,通入所述惰性氣體的流速為200~220sccm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,所述惰性氣體為氬氣,所述金膠體溶液的尺寸為20nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的制備方法,其特征在于,步驟S170中,所述Si02/Si形成的各個小金屬框是預(yù)先利用紫外光刻、磁控濺射技術(shù)和剝離工藝形成的,所述Si02/Si的尺寸為2英寸。
9.一種用于相變存儲的相變材料,其特征在于:包括錫和碲化鍺。
10.一種相變存儲器單元,其特征在于:包括權(quán)利要求9所述的相變材料。
【文檔編號】H01L45/00GK103904215SQ201410075734
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】程國勝, 張 杰, 孔濤, 黃榮, 衛(wèi)芬芬 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所