[发明专利]一种用于低功耗高可靠性相变存储器的掺氧纳米薄膜材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的材料，具体涉及一种用于低功耗高可靠性的掺氧Sb₄Te的纳米相变薄膜材料。

背景技术

相变存储器（PCRAM）是利用材料晶态-非晶态转换从而实现信息存储的一种新型非挥发性存储器。它具有读取速度快、稳定性强、功耗低、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容等优点，因而受到越来越多的研究者的关注（D.H.Kang等，Applied Physics Letter,100,063508,2012）。当相变材料处于非晶态时具有高电阻，晶态时具有低电阻，利用电脉冲产生的焦耳热实现高阻态与低阻态之间的重复转换，达到信息存储的目的。

与传统的Ge₂Sb₂Te₅相变材料相比，Sb-Te合金具有更快的相变速度，尤其是Sb富余的Sb-Te合金具有超高的相变速度，使其具有成为超高速PCRAM用相变材料的巨大潜力(X.LLi等，Journal of Applied Physics,110,094318,2011)。然而Sb-Te合金也存在自身的一些缺点，那就是稳定性不高。例如纯的Sb₄Te合金的晶化温度为120°C左右，晶化激活能只有1.066eV，其薄膜材料将数据保持10年的温度只有29°C，在更高的温度下数据保持能力会急剧下降，因而无法满足实际应用的需要。

通过在相变材料中掺入适量的N原子或O原子可以减小晶粒尺寸，增加晶界数量，从而阻止相变材料的晶化，提高晶化温度，增加晶态电阻。Liubo等研究了在Ge₂Sb₂Te₅中掺入N原子和O原子，结果表明生成的Ge的氮化物和氧化物会阻止晶粒的长大，从而提高Ge₂Sb₂Te₅的晶化温度(B.Liu等，Thin Solid Films，49-55,478,2005)。Yin等在Sb₂Te₃中掺入N原子，不但提高了Sb₂Te₃的热稳定性，而且降低了其RESET过程的操作功耗(Y.You等，Journal of Applied Physics,102,064503，2007)。

发明内容

本发明的目的在于克服Sb₄Te合金稳定性不高的缺点，提供一种能够提高相变材料稳定性，同时降低其操作功耗的掺氧Sb₄Te纳米相变薄膜材料及其制备和应用。

与纯的Sb₄Te合金相比，本发明的掺氧的Sb₄Te合金较好的解决了Sb₄Te材料的缺点和不足。通过掺入不同的氧原子，使Sb₄Te的晶化温度有了明显的提高，数据保持能力得到加强，因而提高了其稳定性。同时通过晶态电阻的提高，使得其RESET功耗降低了。通过掺氧，使Sb₄Te合金成为了一种高速、高稳定性、低功耗的相变材料，从而具有较好的市场应用前景。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用如下的技术方案：

一种掺氧Sb₄Te纳米相变薄膜材料，其化学组成符合化学通式STOx，其中ST代表Sb₄Te，x=1、2或3。上述STOx中O代表氧原子；x代表氧气流量值，其单位为sccm。

上述可以固定溅射过程中氩气和氧气的总流量为30sccm，则STOx可表示为STO1、STO2、STO3。

优选的，所述x优选为2或3。

优选的，所述掺氧Sb₄Te纳米相变薄膜材料的总厚度为100-120nm；优选为100nm。

本发明的掺氧Sb₄Te纳米相变薄膜材料采用磁控溅射方法制备，通过在射频溅射沉积Sb₄Te薄膜的过程中同时通入氩气和氧气，并在纳米量级制备而成。

本发明的掺氧Sb₄Te纳米相变薄膜材料的总厚度优选为100nm。根据掺氧量的不同，本发明的掺氧Sb₄Te可简写为STOx。如，在溅射过程中保持氩气和氧气的总流量为30sccm，其中氧气流量为x sccm，氩气流量为（30-x）sccm；本发明中使用的x为1、2或3。但当未掺氧时，其Sb₄Te结构简写为ST。