一種提高GeSbTe相變性能的技術(shù)及其薄膜制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種提高Ge-Sb-Te相變性能的技術(shù)及其薄膜制備方法。通過對Ge-Sb-Te相變材料加入TiN形成化合物，其化學式為 （TiN）1-X-（Ge-Sb-Te）X（其中0.1＜X＜1），可以提高Ge-Sb-Te相變材料的熱學和電學性能。Ge-Sb-Te相變材料結(jié)晶溫度（~160oC）、熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持能力不太理想，一直制約著Ge-Sb-Te在相變存儲材料中的應用。TiN材料具有很好的熱穩(wěn)定性，通過兩種合金材料的復合，得到一種新材料（TiN）1-X-（Ge-Sb-Te）X，這種材料具有比Ge-Sb-Te相變材料更好的電學性能，同時又有更好的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持力。
【專利說明】一種提高GeSbTe相變性能的技術(shù)及其薄膜制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，尤其適用于相變存儲器的(TiN)H- (Ge-Sb-Te)x薄膜相變材料，屬于微電子領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著電子技術(shù)的革新，各種通信設(shè)備，智能手機，平板電腦等移動設(shè)備逐漸普及到人們每天的工作和生活之中。在這種背景的推動下，作為移動設(shè)備的關(guān)鍵部件，包括閃存，嵌入式多媒體卡和移動動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)在內(nèi)的移動存儲器已成為存儲器市場的增長引擎。但由于摩爾定律的發(fā)展限制，制備成本的上升對20nm以下節(jié)點的閃存和DRAM大規(guī)模量產(chǎn)造成巨大阻礙，開發(fā)和應用新型的半導體存儲技術(shù)已勢在必行。在目前研發(fā)的新型半導體存儲技術(shù)中，相變存儲技術(shù)以其優(yōu)異性能，最有潛力成為下一代非易失性存儲技術(shù)。
[0003]相變存儲器的主要部分是以硫系化合物為基礎(chǔ)的相變材料。硫系化合物能夠在電脈沖的作用下實現(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆相變，非晶態(tài)(高電阻)和晶態(tài)(低電阻)的電阻有著明顯差異，分別對應邏輯“ I”和“O”態(tài)，從而實現(xiàn)信息的存儲。Ge-Sb-Te合金材料，以其優(yōu)異的綜合性能成功應用于相變存儲器中。然而，Ge-Sb-Te材料的結(jié)晶溫度低和數(shù)據(jù)保持力差而造成的熱穩(wěn)定性差，一直制約著其在特殊領(lǐng)域的進一步發(fā)展。通過尋找一種材料，與Ge-Sb-Te材料復合形成新材料，既能保持Ge-Sb-Te材料優(yōu)異的綜合性能，又能提高其熱穩(wěn)定性就顯得尤為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為解決上述材料的缺點和不足，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
提出一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于氮化硅和鍺-銻-碲合金的相變材料(TiN)!-X- (Ge-Sb-Te) x及其制備方法，其中0.1 < X < I。
[0006]本發(fā)明還有一目的在于，提供一種高速、低功耗的相變存儲器及其制備方法。
[0007]較佳的，所述的(TiN)H- (Ge-Sb-Te)x相變材料可以在電脈沖作用下實現(xiàn)可逆相變。
[0008]較佳的，所述的(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te) x相變材料中一部分TiN與Ge-Sb-Te的原子形成化學鍵，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
[0009]較佳的，所述的(TiN)1J- (Ge-Sb-Te)x相變材料中一部分TiN以非晶態(tài)的形式把GST材料隔離成納米尺度區(qū)域。
[0010]較佳的，所述的(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te)x相變材料中，TiN抑制了 Ge-Sb-Te的結(jié)晶過程，使其晶粒變小。
[0011]較佳的，所述的(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te)5^g變材料，結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力大幅度提尚，熱穩(wěn)定性增強。
[0012]較佳的，以所述的(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te) x相變材料為相變層的存儲器，相變速度可達納秒級。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明所述的(TiN)H- (Ge-Sb_Te)xffi變材料，彌補了 Ge-Sb-Te材料的缺陷，使其結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力大大提高，從而提高了其熱穩(wěn)定性。此相變材料在外部電脈沖作用下可實現(xiàn)相變的可逆變化，并且高低電阻值差別大，有明顯的區(qū)別，便于外部電路分辨出“I”和“O”，是理想的相變材料。
【具體實施方式】
[0014]由本發(fā)明所述的一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)獲得的相變材料，具有優(yōu)異的熱學和電學性能。
[0015]本發(fā)明描述的相變材料，制備方法很多。可以用磁控濺射，PLD，電子束蒸發(fā)等多種方法制備。其中，磁控濺射法制備薄膜相對比較容易控制其組分。
[0016]實施例一
(1)利用TiN靶和Ge2Sb2Te5靶雙靶共濺射法，在Si片和S1片上沉積薄膜。其中，本底真空度優(yōu)于10_4Pa，通入的氬氣純度超過99.999%，溫度為室溫。在以上條件下，制備如下三種薄膜:
TiN 15W GST 5ff(TiN)a75 (Ge2Sb2Te5)a25
TiN 15W GST 1ff(TiN)a61- (Ge2Sb2Te5)a39
TiN 15W GST 15W(TiN)a52- (Ge2Sb2Te5)a48
(2)把長在S1片上的薄膜，做原位電阻測試。隨著TiN含量的增加，(TiN)!-X- (Ge2Sb2Te5)x的結(jié)晶溫度逐漸提高，十年數(shù)據(jù)保持溫度可以達到180 °C以上，說明(TiN)!-X- (Ge2Sb2Te5) 料的熱穩(wěn)定性相比Ge 2Sb2Te5B經(jīng)大大提高。
[0017](3)把得到的(TiN)H- (Ge2Sb2Te5)x材料薄膜，在氮氣保護下退火3 min，進行XRD測試。在相同溫度下，(TiN)H- (Ge2Sb2Te5)x材料的峰位比Ge2Sb2Te5MW的衍射峰位要弱很多。說明TiN的加入，使Ge2Sb2Te5結(jié)晶過程受到抑制。
[0018]以下對所述相變存儲器的制造方法做進一步描述:
1、在清洗好的氧化硅片上，制作下電極。
[0019]2、在上述下電極沉積氧化物(如S12)。
[0020]3、氧化物中刻出直徑為50-200nm左右的小孔用于TiN電極的填充。
[0021]4、用CVD法沉積TiN電極，填充小孔。
[0022]5、在上述基礎(chǔ)上，沉積(TiN) !_x- (Ge2Sb2Te5) x相變材料層。
[0023]6Jt(TiN)1-X- (Ge2Sb2Te5)x相變材料進行刻蝕。
[0024]7、制作上電極。
[0025]實施例二
與實施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，Ge2Sb2Te^變材料改為為Ge 4Sb2Te5相變材料，相變材料層的制備方法為磁控濺射，通過磁控濺射TiN靶和Ge4Sb2Te5靶獲得(TiN)H- (Ge4Sb2Te5)x材料薄膜，其余步驟與實施例一完全相同，可達到更好的技術(shù)效果。
[0026]實施例三與實施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te)x相變材料層的制備方法改為電子束蒸發(fā)制備，電子束蒸發(fā)源為TiN和Ge-Sb-Te塊體或粉體材料，其余步驟與實施例一完全相同，亦可達到相同的技術(shù)效果。
[0027]實施例四
與實施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，(TiNVx- (Ge-Sb-Te )x相變材料層的制備方法改為CVD的方法制備，其余步驟與實施例一完全相同，亦可達到類似的技術(shù)效果。
[0028]實施例五
與實施例一采用相同的技術(shù)方案，不同之處在于，(TiN) ^x- (Ge-Sb-Te)x相變材料層的制備方法改為溶膠-凝膠方法制備，其余步驟與實施例一完全相同，亦可達到類似的技術(shù)效果，但是制造成本大大降低。
[0029]綜上所述，本發(fā)明所述的(TiN) (Ge-Sb-Te) 5(相變材料可以在電脈沖等作用下實現(xiàn)可逆相變，相比于純Ge-Sb-Te材料而言，(TiN)1^x- (Ge-Sb-Te)xMW的結(jié)晶溫度和數(shù)據(jù)保持力大大提高，熱穩(wěn)定性更強。加入的TiN —部分與Ge-Sb-Te的原子形成化學鍵，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；一部分TiN以非晶態(tài)的形式存在，使Ge-Sb-Te材料的結(jié)晶受到抑制，所形成的晶粒尺寸更小。同時，(TiN)H- (Ge-Sb-Te)xMW保留了 Ge-Sb-Te的性能，相變速度可以達到納秒級別，相變功耗低，是一種很好的相變材料。由該種技術(shù)制備出的相變材料薄膜與TiN電極的黏附力大大增強，界面力學和電學等特性得到大大改善，從而提高器件的可靠性。(TiN)H- (Ge-Sb-Te)x與標準的半導體工藝兼容，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，基于(TiN) g-(Ge-Sb-Te)x制作的相變存儲器，其擦寫速度更快，晶態(tài)與非晶態(tài)電阻比更大，功耗更低，可滿足高速、低功耗存儲的需要。
【權(quán)利要求】
1.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征為:在Ge-Sb-Te相變材料中加入TiN后，形成由Ge-Sb-Te與TiN組成的化合物形式的相變材料，可以實現(xiàn)比純Ge-Sb-Te相變材料更好的性能。
2.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征為:Ge-Sb-Te與TiN化合物形式的相變材料的組成通式為(TiN)^ - (Ge-Sb-Te)x，其中0.1 < x < I ;而且TiN的組分不受限制，Ti和N的原子比不僅僅是1:1。
3.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:與純Ge-Sb-Te相比，該相變材料具有更高的結(jié)晶溫度和更好的數(shù)據(jù)保持力，其熱穩(wěn)定性得到極大改善。
4.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:由該種技術(shù)制備出的相變材料薄膜與TiN電極的黏附力大大增強，界面力學和電學等特性得到大大改善，從而提高器件的可靠性。
5.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:一部分TiN與Ge-Sb-Te的原子形成化學鍵，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；一部分TiN以非晶態(tài)的形式存在，從而抑制Ge-Sb-Te材料的結(jié)晶過程，提高熱穩(wěn)定性，同時使晶粒變小。
6.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:Ge-Sb-Te和TiN的制備方法不受限制，不僅可以采用濺射的方法制備，也可以采用脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、溶膠-凝膠法、水熱法等方法制備。
7.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:激發(fā)(TiN)H - (Ge-Sb-Te)x可逆相變的外部能量，可以為電脈沖驅(qū)動，熱驅(qū)動，電子束驅(qū)動或激光脈沖驅(qū)動。
8.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:所述的Ge-Sb-Te相變材料的組分不受限制，可以是Ge-Sb-Te相變材料，也可以是Ge1Sb2Te4相變材料或者Ge1Sb4Te7相變材料，等等，TiN加入到不同的組分的Ge-Sb-Te相變材料中均可以得到很好的電學和熱學特性。
9.一種提高Ge-Sb-Te相變材料性能的技術(shù)及其薄膜制備方法，其特征在于:(TiN)!-X - (Ge-Sb-Te)x與標準的半導體工藝兼容，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，此外，基于(TiN)-(Ge-Sb-Te)x制作的相變存儲器，其擦寫速度更快，晶態(tài)與非晶態(tài)電阻比更大，功耗更低，可滿足高速、低功耗存儲的需要。
【文檔編號】H01L45/00GK104485417SQ201410774875
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】韓培高, 吳良才, 孟云, 徐嶺, 馬忠元, 宋志棠 申請人:曲阜師范大學