專利名稱：一種微晶Si-Sb_xTe_1-x復合相變材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及相變材料及制備方法，尤其是指一種微晶Si與SbxTeh的復合相變材料及制備方法，屬于半導體存儲器的相關領域。
背景技術：
非易失性半導體存儲器在信息技術中占據了重要的地位，其銷售額逐年增長，其應用在消費電子中更是無處不在，具有廣闊的市場。目前，最常用的非易失性半導體存儲器是閃存，而其他原理的新型存儲器也不斷涌現。例如，相變存儲器，鐵電存儲器，RRAM(電阻隨機存儲)等，其中，相變存儲器更被認為是下一代非易失存儲器最有希望的候選。相變存儲器的原理是基于相變材料相變導致電阻的轉變，靠測量電阻的阻值來讀出數據，相比于目前應用最廣泛的GeSbTe系列相變材料體系，中科院上海微系統所信息功能材料實驗室PCRAM項目組自主研發的新型相變材料SiSbJei_x體系，具有更好的熱穩定性和更好的數據保持力，目前已應用于工程化的前期驗證。然而實驗證明，SiSbxTei_x體系的相變材料在結晶態是非晶Si和SbTe晶體的復合相，由于非晶Si在500-600攝氏度仍然不能結晶，且非晶態Si中存在許多缺陷使SiSbxTeh 材料不穩定，從而導致基于該材料的相變存儲器件在提高其穩定性及可擦寫次數方面有很大的可改善空間。

發明內容
本發明主要解決的技術問題在于提供一種微晶Si與SbxTei_x的復合相變材料及制備方法，以提高該相變材料的穩定性。為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案一種微晶Si-SbxTeh復合相變材料，由微晶態的Si和相變材料SbxTei_x復合而成， 其中0. 1彡X彡0. 9。優選地，所述微晶態的Si的晶粒尺寸為3-20nm。一種上述微晶Si-SbxTeh復合相變材料的制備方法，包括以下步驟首先利用PVD (物理氣相沉積)形成非晶Si-Sbjei_x材料；然后通過在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料；最后加熱脫氫；其中0. 1 < χ < 0. 9。優選地，PVD形成非晶Si-SbxTe1I材料之后，先在該非晶Si-SbxTei_x材料的結晶溫度以上進行退火，使其形成非晶Si和SbxTeh晶體分相，然后再通過在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料。優選地，在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-Sbjei_x復合相變材料的退火溫度為 200-500攝氏度。優選地，在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料的退火時間為 10_30mino優選地，加熱脫氫為在300-600攝氏度保溫25-30min實現脫氫。
其中，涉及的SbxTei_x系列相變材料包括具有相變特性的多種組分的材料，如 Sb2Te3等。在氫氣氛中退火采用了較低的溫度，由于氣氛中H的存在使非晶態Si可在此溫度形成微晶并且不引起相變材料在高溫下的成分偏析或性能改變，并且經加熱脫氫后可以不影響相變材料的相變性能。本發明的有益效果在于將分相后的非晶Si-SbxTeh材料在氫氣氛中退火，可實現在較低溫度下非晶Si向微晶的轉變，該溫度低于SbxTei_x化合物的熔點，不會影響到材料的相變特性。用這種方法制備的新型微晶Si與SbxTei_x復合的相變材料具有更好的熱穩定性，其中微晶Si晶粒尺寸在3-20nm左右，缺陷比非晶態少，能有效抑制氧化，阻礙Si與SbxTei_x的相互擴散，具有更穩定的特性。同時微晶態的Si改變了相變中電流的分布，有利于降低功耗，提高壽命，提高相變速度，改善相變存儲器的操作穩定性。因此是一種很好的新型復合相變材料。


圖1為實施例一在氫氣氛中退火后的XRD圖，用于證明微晶Si的形成。圖2為實施例二將微晶Si-SbxTeh復合相變材料應用在相變存儲器中的器件性能測試圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例，進一步闡明本發明的實質性特點和顯著的進步，但本發明決非僅局限于所述的實施例。實施例一本實施例通過制備微晶Si-Sb2Te53復合相變材料，并對其進行測試來進一步說明本發明的技術方案。具體的制備方法如下(1)利用PVD設備在玻璃片上生長Si2Sb2I^3材料。例如可以采用磁控濺射等方法， 通過調控工藝參數(濺射功率、工作氣壓等)得到理想配比的薄膜材料，其中采用PVD工藝生長薄膜的技術為本領域技術人員習知的，故在此不作贅述。本實施例優選生長Si2Sb2Te53 材料，然而本發明不僅限于此，還可以是生長其他配比的Si-SbxTei_x材料，0. 1 < χ < 0. 9。 在PVD沉積態的Si-SbxTeh材料中，Si以非晶的形式存在。(2)將該Si2Sb2I^3材料置于N2氛中以300攝氏度退火3分鐘，使其形成包括非晶態Si與晶態Sb2Ti53兩種分相的復合相。其中形成分相的退火溫度和退火時間，可以根據實際情況進行調整。(3)將分相后的Si2Sb2I^3相變材料置于氫氣氣氛中退火，使其中的非晶Si轉變為微晶Si，從而形成微晶Si-Sb2Ti53復合相變材料。該步驟的退火溫度優選為200-500攝氏度，退火時間優選為10-30min，可以根據實際材料配比的不同對退火溫度和退火時間做適當調整，從而選取出最優的工藝參數。本實施例針對Si2Sb2I^3材料優選在350攝氏度下退火15分鐘。(4)在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-Sb2I^復合相變材料之后，還需要對其進行加熱脫氫處理。通過加熱步驟C3)所形成的微晶Si-Sb2I^3復合相變材料，使其在300-600攝氏度保溫25-30min，實現脫氫。脫氫的加熱溫度及時間也是可以根據實際材料的不同進行調節，本實施例中優選為在400攝氏度保溫30min。脫氫后即得到熱穩定性優良的復合相變材料薄膜對上述微晶Si-Sb2I^復合相變材料樣品進行XRD測試。測試結果如圖1所示， 可見通過在氫氣氣氛中退火，該樣品中的Si由非晶態轉變為微晶，XRD圖中出現了(111)、 (220)、(311)晶向的特征峰，微晶Si的晶粒尺寸為3-20nm。綜上所述，將分相后的非晶Si-Sbjei_x材料在氫氣氛中退火，可實現在較低溫度下非晶Si向微晶的轉變，該溫度O00-500攝氏度)低于SbxTei_x化合物的熔點，不會影響到材料的相變特性。微晶Si與非晶Si相比，缺陷少，能有效抑制氧化，阻礙Si與SbxTei_x 的相互擴散，具有更穩定的特性。實施例二將實施例一中制備的微晶Si-Sb2I^3復合相變材料應用在相變存儲器中，進一步分析其性能。(a)利用PVD設備將Si2Sb2I^3材料生長在制備有電極的流片基底上；(b)重復實施一中的步驟0)- )，形成微晶Si-Sb2I^3復合相變材料；(c)繼續完成流片的后續步驟，包括生長TiN，刻蝕，生長Al，腐蝕等，制作出完整的相變存儲器單元；(d)對完成的相變存儲器單元進行寫、擦、讀操作，研究該材料的存儲特性和疲勞特性等。圖2為測試結果，可見將微晶Si-Sb2I^3復合相變材料應用到相變存儲器中，微晶態的Si改變了相變中電流的分布，有利于降低功耗，提高壽命，提高相變速度，改善相變存儲器的操作穩定性。這里本發明的描述和應用是說明性的，并非想將本發明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特征的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他基底、 材料和部件來實現。在不脫離本發明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其他變形和改變。
權利要求
1.一種微晶Si-SbxTei_x復合相變材料，其特征在于由微晶態的Si和相變材料SbxTei_x 復合而成，其中0. 1彡X彡0.9。
2.根據權利要求1所述一種微晶Si-Sbjei_x復合相變材料，其特征在于所述微晶態的Si的晶粒尺寸為3-20nm。
3.一種微晶Si-SbxTei_x復合相變材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟首先利用PVD形成非晶Si-SbxTeh材料；然后通過在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料；最后加熱脫氫；其中0. 1 < χ < 0. 9。
4.根據權利要求3所述一種微晶Si-Sbjei_x復合相變材料的制備方法，其特征在于 PVD形成非晶Si-SbxIVx材料之后，先在該非晶Si-SbxIVx材料的結晶溫度以上進行退火， 使其形成非晶Si和SbxTei_x晶體分相，然后再通過在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh 復合相變材料。
5.根據權利要求3所述一種微晶Si-Sbjei_x復合相變材料的制備方法，其特征在于 在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料的退火溫度為200-500攝氏度。
6.根據權利要求3所述一種微晶Si-Sbjei_x復合相變材料的制備方法，其特征在于 在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTeh復合相變材料的退火時間為10-30min。
7.根據權利要求3所述一種微晶Si-Sbjei_x復合相變材料的制備方法，其特征在于 加熱脫氫為在300-600攝氏度保溫25-30min實現脫氫。
全文摘要
本發明公開了一種微晶Si-SbxTe1-x復合相變材料及制備方法，該復合相變材料由微晶態的Si和相變材料SbxTe1-x復合而成，其中0.1≦x≦0.9?？梢岳肞VD形成非晶Si-SbxTe1-x材料，然后在氫氣氣氛中退火形成微晶Si-SbxTe1-x復合相變材料，最后加熱脫氫完成該材料的制備。本發明的微晶Si-SbxTe1-x復合相變材料中，微晶Si的存在能有效抑制氧化，阻礙Si與SbxTe1-x的相互擴散，具有更穩定的特性。同時微晶態的Si改變了相變中電流的分布，有利于降低功耗提高壽命，改善相變存儲器的操作穩定性。
文檔編號C23C14/06GK102534479SQ201010591390
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者劉波, 夏夢姣, 宋志棠, 封松林, 饒峰 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所