用于相变存储器的SiSb基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ＳｉＳｂ基相变薄膜材料，其组分为（Ｓｉ↓［ｘ］Ｓｂ↓［１－ｘ］）↓［１－ｙ］Ｍ↓［ｙ］，其中元素Ｍ是Ｏ元素或Ｎ元素或它们的混合物，掺杂元素Ｍ的含量ｙ是０－１５％原子百分比，Ｓｉ含量ｘ为５－９０％原子百分比。本发明专利技术可在施加电脉冲情况下，发生高阻态和低阻态之间的可逆转变，从而达到数据存储的目的。本发明专利技术不含对环境有毒的Ｔｅ元素，且制造工艺与现行半导体集成电路ＣＭＯＳ工艺有很好的兼容性。ＳｉＳｂ基相变薄膜材料具有比常用的Ｇｅ↓［２］Ｓｂ↓［２］Ｔｅ↓［５］相变薄膜更快的晶化速率；更加优越的非晶态稳定性；以及更低的非晶态／晶态薄膜厚度变化率，这些特征有助于提高存储器的存取速率；数据可靠性和器件稳定性。

【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SiSb基相变薄膜材料。
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。Ovshinsky在1991年提出了基于电信号的可擦写相变存 储器的专利(美国专利No. 5166758)，并且提出硫族化物Ge-Sb-Te合金薄膜作 为相变存储器的存储介质。直至目前为止，相变存储器的典型相变介质都是硫族 化物合金Ge-Sb-Te薄膜， 一种特别适合的材料是Ge22Sb22Te56 (即Ge2Sb2Te5)薄 膜。经对现有技术的文献检索发现，由于Sb基合金相变的生长驱动特性和高速 晶化的特点，Ge， In， Ag，等元素掺杂的Sb-Te合金是另一类重要的高速相变材 料，己经在相变光盘中得到了应用。Lankhorst等人在Nature Materials, 2005 年第4巻347页上首次报道了在相变存储器中采用掺杂的SbTe薄膜作为存储介 质，降低了器件功耗并縮短了编程时间。但是Ge-Sb-Te薄膜和掺杂的Sb-Te合 金这两类相变材料都包含元素Te，而元素Te及其化合物都是有毒的，对环境不 利。而且采用半导体集成电路常用的化学汽相沉积工艺(CVD)制备Te及其合金 薄膜非常困难，目前还没有形成成熟的工艺。因此，目前对于含有Te的合金薄膜通常都只能采用物理方法如，溅射、蒸发的方法制备。但是釆用物理方法成膜 对于器件中台阶的覆盖能力不如CVD方法好。尤其是随着器件尺寸缩小到纳米尺 度，台阶覆盖的问题将变得更为重要。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(6.8%)，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的不足，提供一种环境友好的用于相变存储 器的SiSb基相变薄膜材料，使其用于相变存储器和相变光盘中作为存储介质。 采用SiSb基相变薄膜能提高相变存储器和相变光盘的编程速度(写入速度)，同 时提高器件稳定性和循环寿命。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SiSb基相变薄膜材料， 其组分为(Si,Sb卜丄iMy ，其中元素M可以是O元素或N元素或它们的混合物，掺 杂元素M的含量y是0-15%原子百分比，Si含量x为5-90%原子百分比。所述SiSb基相变薄膜材料中，当掺杂元素M的含量y为零时，相变薄膜材 料的组分为SixSbn，其中Si含量x为5-90%原子百分比，进一步，可以优选Si 含量x为10-60%原子百分比。本专利技术的SiSb基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，通过在每个耙上施加不同的功率可以控制最终薄膜的成分。SiSb 基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。SiSb基相变薄膜还可以采 用化学汽相沉积方法(CVD)制备。还可以采用蒸发、或电子束蒸发来制备SiSb 基相变薄膜，还可以对相应的元素材料进行共蒸发或脉冲激光沉积等其它的薄膜 沉积方法来制备SiSb基相变薄膜。SiSb基相变薄膜还可以通过对Sb薄膜中离 子注入Si来实现。氧掺杂或氮掺杂的SiSb基合金薄膜可以通过在一定的氧气分 压或氮气分压下进行反应溅射的方法实现。本专利技术所述的SiSb基相变薄膜可以通过至少一个电脉冲来改变SiSb基相变薄膜的电阻，并且电阻值可以变化几倍到几十倍；可以通过电脉冲实现SiSb基 相变薄膜从高阻态到低阻态之间的可逆转变；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SiSb基相变薄膜不同反射率状态之 间的可逆转变。本专利技术所述的SiSb基相变薄膜不含对环境有毒的硫族元素Te，是一类环境 友好的相变存储材料。而且SiSb基相变薄膜能够通过化学汽相沉积工艺制备， 有助于提高对器件中台阶的覆盖能力，尤其当相变存储单元尺寸减小到纳米尺度 时，优良的台阶覆盖能力对保证器件的性能至关重要。本专利技术所述的SiSb基相变薄膜的非晶状态更加稳定，其非晶状态可以在最 高129'C下保持十年，而Ge2SWTe5薄膜的非晶状态只能够在最高80'C下保持十 年。因此，SiSb基相变薄膜的非晶态稳定性优于传统的Ge2Sb2Tes相变薄膜。采 用非晶态稳定性好的相变薄膜作为存储介质有助于提高存储器的数据保持特性。本专利技术所述的SiSb基相变薄膜也可以看成是一种Sb基合金材料，具备Sb 基合金高速晶化的特点。表现在SiSb基相变存储器中，通过较短的电脉冲(最 短可达20ns)就可以使SiSb基相变薄膜晶化，即使器件从高阻态变成低阻态， 而通常的Ge2SWTe5相变存储器的SET脉冲宽度需要100 ns或更长。较短的SET 脉冲可以提高存储器的数据存储速率。表现在SiSb基相变光盘中，通过较短的 激光脉冲就可以使SiSb基相变薄膜晶化，即使器件从低反射率状态变成高反射 率状态，从而提高数据的存取速率。本专利技术所述的SiSb基相变薄膜，处于晶态或非晶态时，其厚度变化为-3. 3%， 小于常用的相变介质Ge2SWTe5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。综上所述，与现有技术相比，本专利技术SiSb基相变薄膜材料不含对环境有毒 的Te元素，且制造工艺与现行半导体集成电路CMOS工艺有很好的兼容性。SiSb 基相变薄膜材料具有比常用的Ge2Sb2Te5相变薄膜更快的晶化速率;更加优越的非 晶态稳定性；以及更低的非晶态/晶态薄膜厚度变化率，这些特征有助于提高存 储器的存取速率；数据可靠性和器件稳定性。附图说明图1为现有相变存储单元结构示意图。图2为本专利技术的SiSb基相变薄膜的电阻率与退火温度的关系曲线。 图3为将本专利技术的氧掺杂Si^bs5相变薄膜用于图1所示的结构中时，存储 器件电阻与所使用的脉冲电压的关系。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。正如目前常用的相变存储器一样，本专利技术所述的SiSb基相变薄膜可用于如 图1所示的相变存储单元结构里作为存储介质。图中，l为下电极，2为SiSb基 相变薄膜，3为上电极。相变存储单元里至少包括一个下电极和一个上电极，在 上、下电极之间是SiSb基相变薄膜。上、下电极可以采用W， TiN， TiW等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于相变存储器的ＳｉＳｂ基相变薄膜材料，其特征在于，所述ＳｉＳｂ基相变薄膜组分为（Ｓｉ↓［ｘ］Ｓｂ↓［１－ｘ］）↓［１－ｙ］Ｍ↓［ｙ］，其中元素Ｍ是Ｏ元素或Ｎ元素或它们的混合物，掺杂元素Ｍ的含量ｙ是０－１５％原子百分比，Ｓｉ含量ｘ为５－９０％原子百分比。

【技术特征摘要】
1、一种用于相变存储器的SiSb基相变薄膜材料，其特征在于，所述SiSb基相变薄膜组分为(SixSb1-x)1-yMy，其中元素M是O元素或N元素或它们的混合物，掺杂元素M的含量y是0-15％原子百分比，Si含量x为5-90％原子百分比。2、 根据权利要求1所述的用于相变存储器的SiSb基相变薄膜材料，其特征 是，所述掺杂元素M的含量y为零，相变薄膜材料的组分为SLSbw Si含量x 为10-60%原子百分比。3、 根据权利要求1或者2所述的用于相变存储器的SiSb基相变薄膜材料， 其特征是，通过至少一个电脉冲来改变SiSb基...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯洁，张胤，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]