金属掺杂锗碲基阻变存储材料及制备方法和阻变单元器件

摘要

本发明实施例提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，分子式为MxGeyTez，其中0

说明书

技术领域

本发明涉及微电子领域，特别是涉及金属掺杂锗碲基阻变存储材料及制备方法和阻变单元器件。

背景技术

阻变单元器件被认为是有希望的下一代高速、高密度、低功耗存储器，受到学术界和工业界的广泛关注。阻变单元器件的原理是用阻变材料作为存储介质，通过外部施加电脉冲，在阻变材料中发生氧空位导电通道或金属导电丝的形成和断裂，实现器件在高阻态和低阻态之间的可逆转变，两态之间的电阻差异用来存储0和1信息。

锗碲材料GeTe作为一种固体电解质材料，具有高的离子迁移率，已初步应用于制备阻变存储材料。但GeTe在150～200℃温度下会发生从高电阻值的非晶态到低阻值的晶态的相变，热稳定性差，这将导致数据存储的丢失或扰动以及能耗增高的问题。因此，如何提高锗碲材料的晶化温度从而提高实际应用价值显得十分重要。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，该金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，非晶态的热稳定性好，阻变特性受热扰动因素小，以解决现有锗碲材料晶化温度低导致实际应用价值差的问题。本发明实施例第二方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，操作灵活，适用范围广。本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件。

第一方面，本发明实施例提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜材料。更优选地，所述薄膜材料的厚度为5～100nm。

本发明实施例第一方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中通过金属M的掺杂提高了锗碲基阻变存储材料的晶化温度从而提高了锗碲基阻变存储材料非晶态的热稳定性，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料阻变特性受热扰动因素较小，解决了现有锗碲材料晶化温度低导致数据存储的丢失或扰动以及能耗增高的问题。此外，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的离子迁移率。本发明实施例第一方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的实际应用价值。

第二方面，本发明实施例提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，所述制备方法为通过磁控溅射法、化学气相沉积法或电子束蒸镀法制备金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜材料。更优选地，所述薄膜材料的厚度为5～100nm。

优选地，所述磁控溅射法为在GeTe合金靶材贴M金属箔片磁控溅射或采用GeTe合金靶材与M金属靶材共溅射。所述GeTe合金靶材中Ge与Te的原子比为1:1。

优选地，所述磁控溅射法中溅射功率为10～100W，溅射氩气压为0.25～0.85Pa。更优选地，所述磁控溅射法中溅射功率为40W，溅射氩气压为0.5Pa。

本发明实施例第二方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法操作灵活，适用范围广。

本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件，包括阻变存储材料薄膜，非反应电极和反应电极，非反应电极和反应电极分别位于所述阻变存储材料薄膜的两侧并均与所述阻变存储材料薄膜接触，所述阻变存储材料薄膜的材质为金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

优选地，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

优选地，所述阻变存储材料薄膜的厚度为5～100nm。

优选地，所述反应电极的材质为Cu、Al或Ag。优选地，所述反应电极的厚度为10～300nm。

优选地，所述非反应电极的材质为Pt、Au、Ti、W、Ta、TiW、TiN或TaN。优选地，所述非反应电极的厚度为10～300nm。

本发明实施例第三方面提供的阻变单元器件中采用的金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，该阻变单元器件热稳定性和数据可靠性高，具有较高的实际应用价值。

本发明实施例第一方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，该金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，非晶态的热稳定性好，阻变特性受热扰动因素小，以解决现有锗碲材料晶化温度低导致实际应用价值差的问题。本发明实施例第二方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，操作灵活，适用范围广。本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件，其热稳定性和数据可靠性高，具有较高的实际应用价值。

本发明实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

图1是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料的EDS曲线；

图2是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料非晶态的XRD曲线；

图3是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料400℃下晶态XRD曲线；

图4是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中Te元素的XPS曲线；

图5是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中Ag元素的XPS曲线；

图6是本发明实施例四制得的阻变单元器件的伏安特性曲线。

具体实施方式

以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。

第一方面，本发明实施例提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜材料。所述薄膜材料的厚度为5～100nm。

本发明实施例第一方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中通过金属M的掺杂提高了锗碲基阻变存储材料的晶化温度从而提高了锗碲基阻变存储材料非晶态的热稳定性，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料阻变特性受热扰动因素较小，解决了现有锗碲材料晶化温度低导致数据存储的丢失或扰动以及能耗增高的问题。此外，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的离子迁移率。本发明实施例第一方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的实际应用价值。

第二方面，本发明实施例提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，所述制备方法为通过磁控溅射法、化学气相沉积法或电子束蒸镀法制备金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜材料。所述薄膜材料的厚度为5～100nm。

所述磁控溅射法为在GeTe合金靶材贴M金属箔片磁控溅射或采用GeTe合金靶材与M金属靶材共溅射。所述GeTe合金靶材中Ge与Te的原子比为1:1。

所述磁控溅射法中溅射功率为10～100W，溅射氩气压为0.25～0.85Pa。所述磁控溅射法中溅射功率为40W，溅射氩气压为0.5Pa。

本发明实施例第二方面提供的金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法操作灵活，适用范围广。

本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件，包括阻变存储材料薄膜，非反应电极和反应电极，非反应电极和反应电极分别位于所述阻变存储材料薄膜的两侧并均与所述阻变存储材料薄膜接触，所述阻变存储材料薄膜的材质为金属掺杂锗碲基阻变存储材料，所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为M_xGe_yTe_z，其中0<x≤20，35≤y≤55，z=100-x-y，M为Ag、Al、Au、Ti、W、Ta、Fe或Mn。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在M-Te键。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆或Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

所述金属掺杂锗碲基阻变存储材料的晶化温度为200～350℃。

所述阻变存储材料薄膜的厚度为5～100nm。

所述反应电极的材质为Cu、Al或Ag。所述反应电极的厚度为10～300nm。

所述非反应电极的材质为Pt、Au、Ti、W、Ta、TiW、TiN或TaN。所述非反应电极的厚度为10～300nm。

本发明实施例第三方面提供的阻变单元器件中采用的金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，该阻变单元器件热稳定性和数据可靠性高，具有较高的实际应用价值。

本发明实施例第一方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，该金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，非晶态的热稳定性好，阻变特性受热扰动因素小，以解决现有锗碲材料晶化温度低导致实际应用价值差的问题。本发明实施例第二方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，操作灵活，适用范围广。本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件，其热稳定性和数据可靠性高，具有较高的实际应用价值。

实施例一

一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，包括以下步骤：

通过GeTe合金靶材贴银箔片磁控溅射制备金属掺杂锗碲基阻变存储材料，GeTe合金靶材中Ge与Te的原子比为1:1，银箔片的尺寸为10mm×5mm×1mm以控制每片银箔片的近似掺杂含量约为7%，贴片溅射制备时，使用2片银箔片，溅射功率为直流30W，溅射Ar气压为0.5Pa，背景真空为4×10^-4Pa，溅射速率为30nm/min，制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜状，厚度为50nm。

图1是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料的EDS曲线。通过EDS曲线可以得到金属掺杂锗碲基阻变存储材料中各个元素的原子量比例。本实施例制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中银掺杂含量为13.81%。该金属掺杂锗碲基阻变存储材料的分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆。

图2是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料非晶态的XRD曲线。图3是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料400℃下晶态XRD曲线。从图2和图3中可以看出，非晶态的金属掺杂锗碲基阻变存储材料物相曲线没有衍射峰的出现；晶态的掺银锗碲基阻变材料在25.9819°、29.8548°、33.9754°、43.1698°、53.7245°、62.1152°、71.1697°处有7个衍射峰，其中三强峰为fcc(200)、fcc(220)、fcc(222)，说明金属掺杂锗碲基阻变存储材料结晶的优先取向依旧为面心立方结构，银的掺入不会导致锗碲材料晶体结构的改变。

图4是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中Te元素的XPS曲线。图5是本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中Ag元素的XPS曲线。从图4和图5中可以看出，Te3d5/2单质的将能为572.7eV，Ag3d5/2单质的键能为367.8eV，Te3d5/2的键能为572.6eV，Ag3d5/2的键能为367.9eV，Te3d5/2键能减少，即Te得电子,Ag3d5/2键能增加，Ag失电子，说明在本发明实施例一制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料中存在Ag-Te键。

实施例二

一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，包括以下步骤：

通过GeTe合金靶材与Ag靶材共磁控溅射制备金属掺杂锗碲基阻变存储材料。GeTe合金靶材中Ge与Te的原子比为1:1。溅射制备时，GeTe合金靶材和Ag靶材至于溅射腔内不同靶材位。同时向GeTe和Ag靶材施加溅射功率，产生溅射辉光。利用溅射腔内放置基片的样品台的高速公转旋转实现在GeTe中掺杂Ag。背景真空为4×10^-4Pa，溅射Ar气压为0.5Pa，GeTe溅射功率为直流30W，Ag溅射功率为直流20W，公转速率为60转/分钟。本实施例制得的Ag掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜状，厚度为50nm，分子式为Ag₁₆Ge₄₀Te₄₄。

实施例三

一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，包括以下步骤：

将GeTe粉末与Ag粉末至于蒸发镀膜机的蒸发源处。在真空度4×10^-3Pa条件下，加热衬底到150℃至450℃，然后蒸发源以350～450℃/min的速率升温，升温至1000℃，对粉末进行加热1～5min。粉末经蒸发沉积与衬底上，制得Ag掺杂锗碲基阻变存储材料。本实施例制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料为薄膜状，厚度为50nm，分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆。

实施例四

一种阻变单元器件，包括阻变存储材料薄膜，非反应电极和反应电极，非反应电极和反应电极分别位于所述阻变存储材料薄膜的两侧并均与所述阻变存储材料薄膜接触。所述阻变存储材料薄膜的材质为实施例一所制得的金属掺杂锗碲基阻变存储材料，分子式为Ag₁₄Ge₄₀Te₄₆，厚度为50nm。反应电极的材质为Ag，厚度为100nm。非反应电极的材质为Ta，厚度为100nm。图6是本发明实施例四制得的阻变单元器件的伏安特性曲线。从图6中可以看出，阻变单元器件具有双极性阻变特性，SET阈值电压为0.3V，RESET阈值电压为0.12V。

综上，本发明实施例第一方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料，该金属掺杂锗碲基阻变存储材料具有较高的晶化温度，非晶态的热稳定性好，阻变特性受热扰动因素小，以解决现有锗碲材料晶化温度低导致实际应用价值差的问题。本发明实施例第二方面提供了一种金属掺杂锗碲基阻变存储材料的制备方法，操作灵活，适用范围广。本发明实施例第三方面提供了一种阻变单元器件，其热稳定性和数据可靠性高，具有较高的实际应用价值。