纳米复合相变材料、制备方法、及作为相变存储器的用途技术

本发明专利技术提供一种纳米复合相变材料、制备方法、及作为相变存储器的用途，其中，所述纳米复合相变材料包含：重量百分比为８－３６％的Ｔａ２Ｏ５、和重量百分比为６４－９２％的相变材料，由于相变材料与Ｔａ２Ｏ５在纳米尺度的均匀复合，Ｔａ２Ｏ５的存在一方面抑制了相变材料晶粒的长大，提升了材料的电阻率和晶化温度，增加了材料的热稳定性；另一方面由于晶界密度的增加，材料的热导率减小，同时Ｔａ２Ｏ５的引入提升了材料的介电常数，有利于器件阈值电压的减小。这种新型纳米复合相变薄膜应用到存储器中，可使相变存储器件的ＲＥＳＥＴ电压降低，有利于实现高密度存储，提高了相变存储器的编程过程中的加热效率，降低了其功耗，提升了数据保持能力、疲劳特性和抗辐照能力等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米复合相变材料、及其制备方法、以及其作为相变存储器的用途。
技术介绍
相变存储器(C-RAM)是一种新兴的半导体存储器，与目前已有的多种半导体存储技术相比，包括常规的易失性技术，如静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)等，和非易失性技术，如介电随机存储器(FeRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)、闪速存储器(FLASH)等，具有非易失性、循环寿命长(> 1013次)、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照、耐高低温(-55-125°C )、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单(能和现有的集成电路工艺相匹配)等优点。 相变存储器(C-RAM)以硫系化合物为存储介质，利用电能(热量)使材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转化实现信息的写入和擦除，信息的读出靠测量电阻的变化实现。在C-RAM研发中，如何降低器件的功耗一直都是研究的重点，为此，人们采取了多种方法，如减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻，提升加热效率；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层；进一步完善器件结构设计，探索新型结构以及研发新型相变材料等。 纳米复合相变材料是一种新型的相变材料，它是指把相变材料与异质材料复合，通过复合材料各组分间的"取长补短"，弥补单一相变材料的缺陷，从而达到优化相变材料相变性能的目的。目前在相变材料研究中，已经报道的有Si02与Ge2Sb2Te5相变材料的复合，但由于Si02较小的介电常数以及复合材料较低的载流子迁移率，Si02与Ge2Sb2Te5复合相变材料的阈值电压较高。为了能够进一步提升器件的性能，寻找一种能够同时降低阈值电压和RESET电压的介质材料显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米复合相变材料，以提高材料的热稳定性、减小材料的热导率、及增加材料的介电常数等。 本专利技术的另一 目的在于提供一种纳米复合相变材料的制备方法。 本专利技术的再一目的在于提供一种相变过程的功耗低、稳定性高、且数据保持能力强的相变存储器。 本专利技术的还有一 目的在于提供一种性能优越的相变存储器的制备方法。 为了达到上述目的，本专利技术提供的纳米复合相变材料，包含重量百分比为8-36%的Ta^、和重量百分比为64-92%的相变材料。 其中，所述相变材料可为硫系化合物，例如可选自锗锑碲合金、锑碲合金和锗锑合金等。 本专利技术的制备纳米复合相变材料的方法主要包括采用硫系化合物合金靶和1^05靶两靶同时溅射形成纳米复合相变材料的步骤。其中，所述硫系化合物可为Ge^Vre5。 更具体的说，在溅射时，本底真空度小于10—乍a，溅射气压为0. 18 0. 25Pa，温度为室温，加在Ge2Sb2Te5合金靶上为直流30 60瓦，加在Ta205靶上为射频12 30瓦，溅射时间为10 20分钟，沉积厚度为120 240nm。 本专利技术的相变存储器包括用作存储介质的纳米复合相变材料层，其中，所述纳米复合相变材料层的材料采用重量百分比为8-36%的1^205、和重量百分比为64-92%的相变材料所形成的复合材料。 较佳的，所述相变材料和1^205可呈均匀分布，所述相变材料可呈立体颗粒状，颗粒直径小于100nm。 优选的，所述立体颗粒状为球状体颗粒；颗粒直径为5-30nm。 本专利技术的制备相变存储器的方法，包括步骤1)在半导体衬底上制备第一金属电极层及绝缘层，利用曝光-刻蚀工艺去除部分绝缘材料以形成孔体；2)在具有孔状的半导体衬底上采用硫系化合物合金靶和Ta205靶两靶同时溅射形成纳米复合相变材料薄膜，以使所述纳米复合相变材料薄膜填充并覆盖所述孔体；3)在形成有纳米复合相变材料薄膜的半导体衬底上制备第二金属电极层；以及4)再次利用曝光-刻蚀工艺将部分第二金属电极层和纳米复合相变材料薄膜一起刻去，以露出用作电极的第一金属电极层，进而形成相变存储器。 其中，所述半导体衬底可为(100)取向的硅衬底；所述曝光-刻蚀工艺可采用的曝光方法为电子束曝光，刻蚀方法可为反应离子刻蚀等。 综上所述，本专利技术的纳米复合相变材料通过对相变材料与Ta205复合，可提高材料的热稳定性，由其构成的相变存储器在相变过程中功耗小，器件的疲劳特性、稳定性、数据保持能力、和功耗等性能都得以提升。附图说明 图1为本专利技术的纳米复合相变材料的透射电镜示意图。 图2为本专利技术的纳米复合相变材料的电阻率与温度关系示意图。 图3为本专利技术的纳米复合相变材料的的热导率变化示意图。 图4至图8为本专利技术的相变存储器制备流程示意图。 图9为本专利技术的相变存储器的电学性能示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术进行详细说明。 —、本专利技术的纳米复合相变材料由重量百分比为8_36%的、05、和重量百分比为64-92%的相变材料组成的，其中，所述相变材料可为硫系化合物，如选自锗锑碲合金、锑碲合金和锗锑合金等。所述纳米复合相变材料的制备方法可采用采用硫系化合物合金靶和Ta205靶两靶同时溅射来形成，以下以利用磁控溅射法制备纳米复合相变薄膜_Ge2Sb2Te5与Ta205复合材料为例来说明。 如权利要求2所述的纳米复合相变材料，其特征在于 首先，清洗(100)取向的硅衬底；接着，采用6625132165合金靶和1^205靶两靶共溅射法制备薄膜，其中，Ge^VTes和Ta205的重量比可参考表1。制备过程中，本底真空可为 10一spa，溅射时的氩气气压可为0. 2Pa，溅射功率加在Ge2Sb2Te5合金靶上的为直流50瓦， 加在Ta205靶上的为射频15瓦，溅射时间为12分钟，沉积厚度大致为150nm。 表1 : 配方<table>table see original document page 5</column></row><table> 对上述形成的纳米复合相变薄膜的相变特性，包括相变温度、相变前后的结构以 及掺杂材料在材料中的分布等进行了多项测试，包括透射电镜(如图1所示)、材料电阻 率与温度的关系(如图2所示)，热导率测试(如图3所示)等。如图l所示，通过透射电 镜的观察，纳米复合相变薄膜中Ge2Sb2Te5与Ta205分散都比较均匀；通过对纳米复合相变材 料的电阻率与温度关系测试，如图2所示，发现当纳米复合相变材料中Ta205含量增加时，其 相变温度向高温方向移动，并且纳米复合相变材料的晶态电阻率逐渐增加，这有利于器件 功耗的降低；纳米复合相变薄膜的晶化温度高于纯Ge2Sb2Te5薄膜的晶化温度，这有利于材 料的稳定性和数据保持能力。 二 本专利技术的相变存储器至少包括半导体衬底层、作为下电极的金属层、纳米复 合相变材料层、和作为上电极的金属层，其中，纳米复合相变材料层采用的材料为上述的重 量百分比为8-36%的1^205、和重量百分比为64-92%的相变材料所形成的复合材料。在所 述纳米复合相变材料层中，相变材料和Ta205呈均匀分布，相变材料呈立体颗粒状，颗粒直 径小于100nm，所述颗粒可呈球状或其他立体形状，通常，颗粒直径在5-30nm范围内较佳。 所述相变存储器的制备方法如下 1)清洗两块(100)取向的硅衬底，在其中一块硅衬底1上用化学气相沉积法 (CVD)制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米复合相变材料，其特征在于包含：重量百分比为８－３６％的Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］、和重量百分比为６４－９２％的相变材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋三年，宋志棠，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]