[发明专利]用于相变存储器的SiSb基相变薄膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的材料，具体是一种用于相变存储器的SiSb基相变薄膜材料。

背景技术

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，已经在相变光盘中得到了应用。Lankhorst等人在Nature Materials，2005年第4卷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，降低了器件功耗并缩短了编程时间。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。但是采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。

发明内容

本发明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。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的SiSb基相变薄膜材料，其组分为(Si_xSb_1-x)_1-yM_y，其中元素M可以是0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Si_xSb_1-x，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。

本发明的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，通过在每个靶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。