[发明专利]一种相变材料、相变存储单元及其制备方法

说明书

本发明提供一种相变材料、相变存储单元及其制备方法，其中，相变材料包括钽元素、锑元素及碲元素，相变材料的化学式为Ta_xSb_yTe_z，其中，x、y、z均指元素的原子百分比，且1≤x≤25，0.5≤y:z≤3，x+y+z＝100。本发明的Ta_xSb_yTe_z相变薄膜材料具有相变速度快、热稳定性突出、数据保持能力强、循环寿命长、成品率高等特点，其中，Ta_5.7Sb_37.7Te_56.6具有165℃的十年数据保持力，将其应用于相变存储器中器件单元具有6ns的操作速度和高于100万次的擦写次数。同时，本发明的Ta_xSb_yTe_z相变材料的晶粒非常小，在400℃退火处理30分钟后，晶粒尺寸依然小于30纳米，这对于器件的稳定性、低功耗、成品率非常重要。本发明的相变存储器单元的制备方法与CMOS工艺相兼容，便于精确控制相变材料的成分。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种相变材料、相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器(PCM)是近年来发展迅速的一种非挥发性半导体存储器。与传统的存储器相比，它具有非易失性、微缩性好、读写速度快、功耗低、循环寿命长及抗辐照性能优异等优点。因此，相变存储器成为各类新型存储技术中最有力的竞争者，有望成为下一代非挥发存储器的主流存储技术。目前，由于其速度和循环寿命等性能介于闪存(FLASH)和动态随机存储器(DRAM)之间，有望在新的领域，例如存储级内存(Storage Class Memory)获得应用。

相变存储器的应用基于其中的相变材料在电脉冲信号操作下高、低电阻之间的可逆转换来实现“0”和“1”的存储。即在非晶态时相变材料表现出较高的电阻值，而在晶态时则表现出低的电阻值。相变材料是相变存储器的核心。相变材料的性能决定了相变存储器的性能。目前最典型的相变材料是Ge₂Sb₂Te₅，该材料具有循环寿命长、微缩性好的特点，已经广泛应用于相变光盘和相变存储器中。但是依然存在一些问题：(1)热稳定性差。Ge₂Sb₂Te₅的十年可靠数据保存的工作温度仅为80℃左右，无法应用在汽车电子、航空航天等高温领域；(2)结晶温度低。由于结晶温度在150℃左右，无法承受嵌入式领域封装中约260℃的回流焊工艺，面临着数据丢失的危险，无法应用在嵌入式存储领域；(3)无法承受CMOS后道高温工艺的考验，容易造成分相或者形成孔洞导致器件失效；(4)相变速度较慢，目前基于Ge₂Sb₂Te₅的相变存储器写速度仅为百纳秒量级，无法满足替代DRAM的速度要求。

为了解决GST存在的问题，近年来，Si-Sb-Te、Al-Sb-Te、Ti-Sb-Te、Sc-Sb-Te等新型相变材料先后开发出来，然而在工程化过程中发现这几种材料存在无法兼顾高速相变与良好热稳定性的问题。这几种新型相变材料在工程化中还存在一定的问题：(1)Ti-Sb-Te、Sc-Sb-Te在速度和功耗上有优势，但是对数据保持力的提升力度有限，无法满足汽车电子、航空航天等特殊领域对数据保持力的需求；(2)Si-Sb-Te和Al-Sb-Te虽然在热稳定性与数据保持力方面有显著提升，但是材料分相导致器件的循环寿命难以提高；(3)这几种材料在400℃高温工艺后晶粒长大明显，会出现元素偏析、分相问题，导致功耗增加，器件性能恶化；(4)Si、Al、Ta、Sc这四种元素非常容易氧化，特别是Sc，在工艺中容易受到氧化的影响，导致器件速度降低，单元间阻值分布离散，电学性能退化，成品率降低。

因此，如何寻求一种相变速度快、热稳定性好、循环寿命长、数据保持力强、成品率高且与CMOS工艺兼容的相变薄膜材料，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容