一種In2Te3相變記憶元件及其制備方法技術

一種Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］相變記憶元件及其制備方法，采用Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜為相變記憶存儲材料，所述Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜在室溫下為非晶態，在經過４５０－４７０℃退火后變成結晶態，相變記憶元件的基本構型為三層結構，由一層Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜夾在頂電極膜與底電極膜之間構筑而成，由頂電極膜和底電極膜分別接出用金絲或銅絲制成引線。本發明專利技術在測試中實現了開關效應，具有如下特性：Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜結晶態與非晶態的電阻值差異明顯，可以達到３～４個數量級；相變速度／讀寫速度快且工作電壓低，所需的電壓脈沖達到了ｎｓ量級；可以在高低阻態之間進行多次循環轉變。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬微電子器件及其材料領域，具體涉及應用于集成電路的一種新型可快速讀 寫的高密度的基于In2Te3薄膜材料的非晶態、結晶態相變記憶元件及In2Te3薄膜材料的 制備方法，為一種Iri2Te3相變記憶元件及其制備方法。
技術介紹
近半個世紀以來，集成電路的發展基本遵循了G.E. Moore提出的預言"單個芯片 上集成的元件數每十八個月增加一倍"。而隨著半導體技術的不斷發展以及越來越多的 電子設備融入人們的工作生活之中，傳統器件已經不能滿足人們的基本需求。所以，發 展新型的，具有高密度、低能耗、高速度反復讀寫能力的存儲技術和器件，已經成為當 前信息技術發展中一個重要的課題。當前被廣泛使用的信息存儲設備主要是非易失性存儲器。這類非易失存儲器在沒有 電源支持的時候，仍然能夠保存原來的數據，所以廣泛用于信息系統的數據保存，如計 算機、數碼設備、工控設備等。然而當前使用的非易失性磁性介質存儲器，由于在讀寫 過程中磁頭與記錄介質要發生機械移動，因而無法實現快速讀寫，記錄密度也難以進一 步提高。為了滿足互聯網、多媒體和三維動畫等領域不斷增長的信息處理和存儲的要求, 人們希望獲取超大容量的記錄載體。伴隨計算機通訊技術的迅猛發展,信息儲存介質的 發展也突飛猛進。近年來一些新型非揮發存儲器一相變存儲器和阻變存儲器的發展引人 注目，被認為是可行性高而風險較小的納米存儲器件。不同于傳統的基于電荷存儲的非 揮發存儲器技術，比如硬盤(HDD)和閃存(Flash)，新型的非揮發存儲技術是基于電阻的 改變。相轉變存儲器(PRAM)是利用硫系化合物半導體在非晶態和晶態兩種晶體結構間 進行可逆相變并穩定保持的特性制備的非揮發存儲器。相轉變存儲器的讀寫操作的速度 很快，與DRAM相當，可操作次數高，結構簡單，面積小，易于實現高密度存儲，并 且與CMOS工藝兼容性好，因而受到人們的廣泛重視。迄今為止，已經有一些相變材 料得到了廣泛應用，例如Ge2Sb2Tes(GST)已經被廣泛應用到CD和DVD等一些光學存 儲設備中。而更多更新的相變記憶存儲材料正在被不斷地發現研究，并將在未來的新型 存儲技術和器件中占有重要的地位。
技術實現思路
本專利技術要解決的問題是針對相變記憶存儲器的發展，提供一種新型相變記憶材料In2Te3薄膜及其制備方法，以及In2Te3相變記憶元件及其制備方法。本專利技術的技術方案為 一種In2Te3相變記憶元件，采用1112化3薄膜為相變記憶存儲 材料，所述In2Te3薄膜在室溫下為非晶態，在經過450—470。C退火后變成結晶態，相 變記憶元件的基本構型為三層結構，由一層In2Te3薄膜夾在頂電極膜與底電極膜之間構 筑而成，由頂電極膜和底電極膜分別接出用金絲或銅絲制成引線。頂電極膜與底電極膜為鉑Pt或金Au，厚度在100納米至1微米之間。 在底電極膜上沉積厚度為30納米至300納米的二氧化硅薄膜絕緣層，并在此絕緣 層上刻蝕直徑為30納米至IO微米的微孔，露出底電極膜，所述微孔的尺寸為記憶元 件有效工作區域的尺度；絕緣層上面沉積In2Te3薄膜，In2Te3薄膜厚度為100納米至500 納米，在絕緣層被刻蝕了微孔的部位，In2Te3薄膜與底電極膜必須緊密接觸。本專利技術相變記憶元件所述三層結構制備在相變記憶元件襯底上，相變記憶元件襯底 包括硅片、石英陶瓷片、二氧化硅薄層覆蓋的硅片。本專利技術的Iri2Te3薄膜釆用脈沖激光沉積方法，在脈沖激光沉積制膜系統中制備，步 驟如下a) 、 In2Te3靶材采用懸浮熔煉冷坩堝設備制得在650 750。C熔化摩爾配比為2: 3 的In和Te的混合物，形成合金，然后將獲得的合金塊體打磨切割成靶材；b) 、將ln2Te3耙材固定在脈沖激光沉積制膜系統的靶臺上，襯底固定在襯底臺上， 電阻加熱爐安置在襯底臺的下方，靶臺、襯底、襯底臺和電阻加熱爐都設置在脈沖激光 沉積制膜系統的生長室中；c) 、將生長室真空到5.0X10^Pa以下；d) 、啟動激光器，使激光束通過石英玻璃透鏡聚焦在In2Te3靶材上；e) 、根據單脈沖能量，確定沉積時間，在襯底上沉積厚度為30納米至2000納米厚 的In2Te3薄膜，沉積在襯底上的In2Te3薄膜為非晶態；f) 、 In2Te3薄膜沉積完成后，用電阻加熱爐加熱襯底臺，使襯底溫度設定在460'C， 進行退火處理，得到結晶態的Iri2Te3薄膜。本專利技術In2Te3相變記憶元件的制備方法包括以下步驟a)、在相變記憶元件襯底上射頻磁控濺射方法沉積底電極膜，相變記憶元件襯底包 括硅片、石英陶瓷片、二氧化硅薄層覆蓋的硅片；b)、在底電極膜上利用射頻磁控濺射方法沉積一層二氧化硅絕緣層； C)、在絕緣層中利用聚焦離子束刻蝕法加工出微孔，露出下部的底電極膜，所述微 孔的尺寸為記憶元件有效工作區域的尺度；d) 、用刻有孔洞的金屬掩模板覆蓋在加工出微孔的絕緣層上，掩模板的孔洞大于絕 緣層的微孔，并與微孔進行對準；e) 、將經上述步驟a)、 b)、 c)、 d)得到的沉積了底電極膜、絕緣層，并覆蓋有掩 膜板的相變記憶元件襯底放入脈沖激光沉積制膜系統的生長室，利用脈沖激光沉積技術 沉積In2Te3薄膜，In2Te3薄膜在沉積過程中將絕緣層上的微孔完全填滿，使1112^3薄膜 與底電極膜緊密接觸；f) 、通過金屬掩模板用磁控濺射方法在步驟e)得到的元件的Iii2Te3薄膜上沉積頂 電極膜；g) 、最后分別由底電極膜和頂電極膜接出引線。本專利技術使用In2Te3薄膜制備非揮發性的相變記憶元件的工作原理為 在相變記憶元件中，是以硫系化合物為存儲介質，夾在兩個非反應電極之間，如 Pt等，利用電能/熱量使材料在晶態(低阻)與非晶態(高阻)之間相互轉換實現信息 的寫入與擦除，信息的讀出靠測量電阻的變化實現。簡單地講，寫入過程是指加一個短 而強的電壓脈沖，電能轉變成熱能,使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷 卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，從而實現由多晶向非晶的轉化；擦除過程則指施 加一個長且強度中等的電壓脈沖，硫系化合物的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以 下，并保持一定的時間，使硫系化合物由無定形轉化為多晶；數據的讀取是通過測量硫 系化合物的電阻值來實現的，此時所加脈沖電壓的強度很弱，產生的熱能只能使硫系化 合物的溫度升高到結晶溫度以下，并不引起材料發生相變。本專利技術提供的In2Te3相變記憶元件具有優良的開關特性，它完全具有非揮發相變存 儲器的讀取一寫入一讀取一擦除的功能。如將低電阻態定義為"寫入"或"1"，將高 電阻態定義為"擦除"或"0"。由高阻態轉變為低阻態可通過30ns， 3.5V的電壓脈沖 實現；低阻態向高阻態的轉變可通過100ns， 1.4V的電壓脈沖實現，該新型非揮發相變 記憶元件的讀出脈沖電壓明顯低于寫入/擦除脈沖電壓，因此它在讀出時并不改變器件 中存儲的信息，因而是一種非破壞性讀出記憶原件；由于本專利技術的In2Te3相變記憶元件 只有兩條引出線，全部讀取一寫入一讀取一擦除操作都由電信號通過這兩條引出線完 成，沒有任何機械運動接觸，它具有結構簡單的特點并可實現快速讀寫；同時，由于本專利技術的Iri2Te3相變記憶元件存儲信息的基本原理是器件中相變導致的高、低電阻態，在 信息存儲期間不需本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］相變記憶元件，其特征是采用Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜為相變記憶存儲材料，所述Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜在室溫下為非晶態，在經過４５０－４７０℃退火后變成結晶態，相變記憶元件的基本構型為三層結構，由一層Ｉｎ↓［２］Ｔｅ↓［３］薄膜（１３）夾在頂電極膜（１４）與底電極膜（１１）之間構筑而成，由頂電極膜（１４）和底電極膜（１１）分別接出用金絲或銅絲制成引線。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：殷江，朱顥，夏奕東，劉治國，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：84[中國|南京]