一种用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种相变存储材料，尤其涉及一种用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se薄 膜材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 相变存储器（PCRAM)具有循环寿命长、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照、和 制造工艺简单等优点，尤其器件尺寸可以缩小到l〇nm技术节点以下，这是其他存储技术无 可比拟的。PCRAM被国际半导体工业协会认为最有可能取代Flash而成为未来存储器主流 产品，具有广阔的市场前景。
[0003] 相变存储器的基本原理是利用电脉冲或光脉冲产生的焦耳热，使相变存储材料在 非晶态与晶态之间产生可逆转变，利用材料在高电阻值的非晶态和低电阻值的晶态之间的 电阻差异来实现数据存储，数据的读出则通过测量电阻的状态来实现，相变就是利用高低 电阻态之间的电阻差来实现"1"和"〇"的存储。
[0004] 改变相变存储介质材料的物理性质是提高相变存储器性能的常用方法。常用的相 变存储材料体系主要是碲基材料，如Ge-Sb-Te、Si-Sb-Te、Ag-In-Sb-Te等。特别是GST已 经广泛应用于相变光盘和相变存储器。目前商业上广泛使用的相变存储材料Ge2Sb2Tej9 结晶温度为~150°C，结晶激活能2. 24eV，这两个数据决定了该材料只能在80°C左右保持 十年，基本满足消费类电子产品的要求。然而，汽车电子产品要求存储数据在120°C下保持 十年，空间应用的要求是150°C以上保持十年。Ge2Sb2Te5非晶态的低热稳定性严重限制了 其应用范围。其次，晶态GST材料的电阻较低，且材料具有较高的熔点（大约620°C)，这使 得相应器件的RESET电流过大，带来了严重的功耗问题。这就需要我们探索具有更快相变 速度的存储材料。如何提供一种热稳定性好，数据保持力强，相变速度快，是当前技术领域 需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种热稳定性好、数据保持能力强、相变速度 快的用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料及其制备方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于相变存储器的 Ge-Sb-Te-Se薄膜材料，该材料是一种由锗-铺-蹄-硒四种兀素组成的材料。
[0007] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的化学结构式为（Sb2Se)x (Ge2Sb2Te5)y，其中Sb2Se 整体的摩尔百分含量为0% <x% < 84%，66251^^5整体的摩尔百分含量为16% <y% < 95%， x+y=100〇
[0008] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料采用Sb-Se合金祀和Ge-Sb-Te合金祀共派射形成。
[0009] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的化学结构式为（Sb2Se)44 (Ge2Sb2Te5)56。
[0010] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的化学结构式为（Sb2Se)84 (Ge2Sb2Te5) 16。
[0011] 一种用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的制备方法，采用Sb2Se靶和 Ge2Sb2Te5合金靶两靶磁控共溅射而成，具体包括以下步骤： (1) 在磁控溅射镀膜系统中将Sb2Se靶材和Ge2Sb2Te5靶材分别安装在磁控射频溅射靶 中，采用半导体为衬底； (2) 将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到 1. 6Xl(T4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压 0? 3Pa; (3) 然后将Sb2Se靶上的射频电源功率控制为3-13W，将Ge2Sb2Te5靶上的射频电源功 率控制为5-50W，溅射时间为10分钟至60分钟，沉积得到厚度为161-330nm的薄膜材料，即 为Ge-Sb-Te-Se薄膜材料，其化学结构式为（Sb2Se)x (Ge2Sb2Te5)y，其中Sb2Se整体的摩尔 百分含量为〇% <x%彡84%，体的摩尔百分含量为16%彡y%彡95%，x+y=100。
[0012] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的化学结构式为（Sb2Se)44 (Ge2Sb2Te5) 56。
[0013] 所述的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的化学结构式为（Sb2Se)84 (Ge2Sb2Te5) 16。
[0014] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se 薄膜材料及其制备方法，由锗-锑-碲-硒四种元素组成，通式为（Sb2Se)x (Ge2Sb2Te5)y，其 中0 <x< 84,16 <y< 95,通过调节四种元素的含量可以得到不同结晶温度、熔点、结晶 速率和结晶前后电阻比率的存储材料。其中锑、碲能形成Sb-Sb和Sb-Te稳定相，这两相在 纳米尺度复合，可以组成类似于GeTe和Sb2Te3的伪二元体系，因而材料比较稳定，不容易发 生分相，因而具有更好的热稳定性和结晶速度，有助于提高器件的数据保持力和操作速度。 适当调节Ge-Sb-Te-Se中元素比例（其中，掺杂元素的含量由溅射过程中的掺杂源与惰性 气体的流量比值决定），进而可以得到比传统的Ge2Sb2Te5(GST)具有更高的结晶温度、更强 的数据保持力、更低的熔点和更快的结晶速度，以及更宽的禁带宽度。
[0015] 综上所述，与一般的存储材料相比，本发明提供的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料，热稳定 性好，数据保持能力强，结晶速度快，物理性能可调，有着较高的禁带宽度和较稳定的晶态 组分。本发明提供的相变存储材料的制备方法，工艺简单，便于精确控制材料成分和后续工 艺。使用所述相变存储材料Sb2Se- (Ge2Sb2Te5)制备成的相变存储器，具有操作速度快、电 学性能稳定等优点。
【附图说明】
[0016] 图1为不同组分的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的电阻-温度关系图； 图2为不同组分的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的数据保持能力计算结果图； 图3为Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的禁带宽度图谱和透过谱； 图4为170°C的退火温度下Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的XRD图谱； 图5为200°C的退火温度下Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的XRD图谱； 图6为260°C的退火温度下Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的XRD图谱； 图7为350°C的退火温度下Ge-Sb-Te-Se薄膜材料的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0018] 实施例1 一种用于相变存储器的Ge-Sb-Te-Se薄膜材料，该材料是一种由锗-锑-碲-硒四种 元素组成的材料，其中锑、碲能形成Sb-Sb和Sb-Te稳定相，这两相在纳米尺度复合，可以组 成类似于GeTe和Sb2Te^伪二元体系。
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