[发明专利]一种用于相变存储器的富锑高速相变材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域的金属元素掺杂的相变材料，尤其涉及一种用于相变存储器的富锑高速相变材料及其制备方法和应用。

背景技术

相变存储技术是一种新兴的大容量存储技术，它以高速、高密度、低压、低功耗和良好的疲劳特性成为可替代现有非易失性存储技术的主力军。近年来，关于相变存储器（PCRAM）的研究成为科学界的一大热点。PCRAM的工作原理很简单，它利用相变材料在非晶态和结晶态所表现出的巨大电阻差值来实现“0”和“1”的存储。虽然相变材料的这种性能早在上世纪60年代就已经被发现，但是由于技术条件的限制，相变存储技术一直没能体现出竞争优势，直到最近十来年，微电子技术的高速发展，使得相变存储器的优势逐渐明显，它可以突破传统COMS存储器的物理极限的限制，在纳米尺度进行稳定的相变操作，表现出强大的应用前景。最近，英特尔公司已经在45nm节点上完成了PCRAM芯片的量产，并且和DRAM集成在一起作为新的内存。韩国三星公司也将在22nm节点上进行PCRAM量产。可见，PCRAM技术作为主流存储技术的趋势越发明显。

相变材料是PCRAM工作的核心部分，它几乎决定了PCRAM的所有特性，所以对相变材料的研究自然是不可或缺的。相变材料中，三元系Ge-Sb-Te材料中的Ge₂Sb₂Te₅、二元系Ge-Te材料中的GeTe都是典型的相变材料，具有良好的综合性能。但在应用当中发现，Ge₂Sb₂Te₅材料在相变时有较大的密度变化，结晶速度不佳，一般为几百纳秒（ns），另外其结晶温度较低，为160℃左右，十年保持温度为80℃左右，另外操作电压较高，这些缺点严重阻碍了此材料在相变存储领域的广泛应用。GeTe结晶温度高于Ge₂Sb₂Te₅，相变前后高低电阻差距大，电流操作时速度可以达到几个ns，但GeTe熔点高达720℃左右，其操作功耗甚至大于Ge₂Sb₂Te₅，数据保持力也不能满足工业界和军事航天领域的要求。综上所述，寻找一种相变速度快，熔点低，而且具有较好数据保持力的相变材料是PCRAM发展的方向。二元材料Sb₂Te在Sb-Te二元相图中属于δ相，此相具有稳定的六方晶体结构，晶态的Sb₂Te材料由Sb₂Te₃和Sb₂层相互叠加而成，其中Sb₂层可以加快材料结晶的速度。此外，δ相的Sb-Te材料熔点都在540℃左右，远远低于Ge₂Sb₂Te₅，相变前后电阻变化高达4个数量级。然而，Sb₂Te唯一不足是它的结晶温度较低，约为145℃。所以Sb₂Te并不能完全满足应用的需要，特别是针对某些高温环境的应用。要想弥补这个缺陷，掺杂其他元素进行材料改性不失为解决这一问题的一种方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的缺点或不足，提供一种综合性能优异、与COMS工艺兼容的相变材料。

本发明第一方面提供一种用于相变存储器的富锑高速相变材料，其化学通式为：A_x(Sb₂Te)_1-x，x为原子百分比，其中A选自W、Ti、Ta或Mn。

优选的，0＜x＜0.5。

优选的，0＜x≤0.12。

优选的，A选自W。

本发明的相变存储材料A_x(Sb₂Te)_1-x，材料中的A元素可以为W、Ti、Ta、Mn等金属元素，可以达到同样的技术效果。

优选的，本发明所提供的相变材料为单相的W-Sb-Te材料。

本发明所提供的相变材料与通常的GeSbTe材料类似，有利于实现高密度存储。其在外部电驱动纳秒级脉冲作用下具有可逆相变的材料。所述的W-Sb-Te相变材料的相变速度是GeSbTe材料的3倍，有利于实现高速相变存储器。该相变材料利用W与Te所形成的化学键来提高其结晶温度及非晶态的热稳定性，固定Sb-Te的元素比例，调节W的含量，可以得到不同结晶温度、不同结晶激活能的低熔点相变存储材料。