一種納米復(fù)合多層相變薄膜及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種納米復(fù)合多層相變薄膜及其制備方法和應(yīng)用，該相變薄膜為Ge

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種納米復(fù)合多層相變薄膜及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于微電子材料
，尤其是涉及一種納米復(fù)合多層相變薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
相變存儲器(Phasechangememory，PCM)是一種新型的非易失性半導(dǎo)體存儲器，其原理是利用相變材料在電脈沖加熱作用下能夠在高阻非晶態(tài)和低阻多晶態(tài)之間高速可逆轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)二進制信息存儲。PCM寫操作(RESET)是指給相變材料施加一個短而強的電脈沖，使相變材料溫度升高到熔化溫度(Tm)以上，并經(jīng)過快速淬火導(dǎo)致材料晶態(tài)的長程有序遭到破壞，實現(xiàn)材料從晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。PCM擦操作(SET)是指給相變材料施加一個幅度適中且作用時間較長的電脈沖，使材料溫度升高到大于結(jié)晶溫度(Tc)，且低于熔化溫度(Tm)，實現(xiàn)材料從短程有序非晶態(tài)到長程有序晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。PCM讀操作(READ)是通過歐姆定律量取存儲單元阻值判別材料的非晶或晶態(tài)。Ge2Sb2Te5是目前研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的相變材料。盡管如此，Ge2Sb2Te5相變材料仍存在著諸多有待改善的問題：第一，Ge2Sb2Te5相變材料結(jié)晶溫度(160℃)、析晶活化能(2.24eV)和十年數(shù)據(jù)保持力(85℃)等性能指標(biāo)不能滿足汽車電子(120℃)和航空領(lǐng)域(150℃)的要求；第二，Ge2Sb2Te5相變材料的結(jié)晶機制屬于成核占優(yōu)型，較慢的相變速度無法滿足未來高速存儲器的要求；第三，Ge2Sb2Te5相變材料在相變前后較大的密度變化比(6.8％)大大降低PCM的可靠性和疲勞特性。為此，研究界通過對Ge2Sb2Te5材料中摻入元素改性，如C、N、Sn摻雜以提高熱穩(wěn)定性和操作速度；摻入介質(zhì)材料(如SiO2、Ta2O5、HfO2等)形成復(fù)合相變材料以提高熱穩(wěn)定性與降低功耗等。中國專利CN101540370B公開了一種用于相變存儲器的GeTe/Sb2Te3納米復(fù)合多層薄膜，該相變薄膜既具有高相變速度又具有高熱穩(wěn)定性，且有效地提高PCM的開關(guān)比，保證數(shù)據(jù)讀取的可靠性。中國專利CN103378289B公開了一種用于高速高密度相變存儲器的SbSe/Ga30Sb70多層納米復(fù)合薄膜材料，該相變薄膜具有高、中、低三個電阻態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級存儲，提高PCM的存儲密度。本專利技術(shù)中所選用的二元相變材料Ge50Te50具有較高的結(jié)晶溫度和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，但其結(jié)晶速度相對較低且高低電阻開關(guān)比較大；富Sb的二元相變材料Ge8Sb92具有較快的結(jié)晶速度，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲，但其較低的結(jié)晶溫度不利于數(shù)據(jù)保存的穩(wěn)定性和可靠性，且較低的晶態(tài)電阻導(dǎo)致操作功耗相對較高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有熱穩(wěn)定性好、相變速度快、存儲密度高等綜合性能優(yōu)越的新型納米相變薄膜。本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種納米復(fù)合多層相變薄膜，為熱穩(wěn)定性較好的Ge50Te50相變材料和相變速度較快的Ge8Sb92相變材料呈周期濺射得到的膜層。所述的相變薄膜的結(jié)構(gòu)通式為[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x，總厚度為32～80nm，其中，a為每層相變薄膜中Ge50Te50材料的厚度，為4～8nm，b為每層相變薄膜中Ge8Sb92材料的厚度，為4～8nm，x為相變薄膜結(jié)構(gòu)的周期數(shù)，x為4或5。所述的相變薄膜采用磁控濺射方法生長于SiO2/Si(100)基片上。納米復(fù)合多層相變薄膜的制備方法，采用以下步驟：(1)將SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去離子水中，超聲清洗15～30min，然后用高純N2吹干，待用；(2)安裝好濺射靶材，先后開啟機械泵和分子泵抽真空；(3)設(shè)定濺射氣體流量、腔內(nèi)濺射氣壓、靶材的濺射功率；(4)采用室溫磁控濺射方法制備[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x納米復(fù)合多層相變薄膜：(4-1)將基片旋轉(zhuǎn)到Ge8Sb92靶位，開啟Ge8Sb92的射頻濺射電源，開始濺射Ge8Sb92薄膜，Ge8Sb92薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge8Sb92的交流濺射電源。(4-2)將基片旋轉(zhuǎn)到Ge50Te50靶位，開啟Ge50Te50的射頻濺射電源，開始濺射Ge50Te50薄膜，Ge50Te50薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge50Te50的交流濺射電源。(4-3)重復(fù)上述(4-1)、(4-2)兩步，直到完成納米相變薄膜設(shè)定的周期數(shù)。步驟(4-1)濺射Ge8Sb92時，采用的本底真空度為2×10-4Pa，濺射氣體為體積百分比均達到99.999％的高純Ar氣，濺射氣體的流量為30～50SCCM，濺射氣壓為0.2～0.5Pa，濺射功率為15～30W，濺射速度為1.5～6.5s/nm。步驟(4-2)中濺射Ge50Te50時，采用的本底真空度為2x10-4Pa，濺射氣體為體積百分比均達到99.999％的高純Ar氣，濺射氣體的流量為30～50SCCM，濺射氣壓為0.2～0.5Pa，濺射功率為15～30W，濺射速度為1.2～3.5s/nm。制備得到的相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲器。與現(xiàn)有的相變材料Ge2Sb2Te5等技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點：第一，Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜的結(jié)晶溫度和熱穩(wěn)定性可以通過Ge50Te50/Ge8Sb92的厚度比和周期數(shù)進行調(diào)控，且隨著Ge50Te50/Ge8Sb92厚度比的增加而提高，有利于提升PCM的數(shù)據(jù)保持力，這是因為，單層Ge50Te50和Ge8Sb92的結(jié)晶溫度分別約為240℃和160℃，而Ge2Sb2Te5的結(jié)晶溫度約為160℃。通過將單層Ge50Te50和單層Ge8Sb92納米交替濺射得到復(fù)合多層相變薄膜的相變溫度應(yīng)介于240℃和160℃，因此Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜的熱穩(wěn)定性優(yōu)于Ge2Sb2Te5。另，Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜的結(jié)晶溫度受厚度比和周期數(shù)的影響，Ge50Te50與Ge8Sb92的厚度比越高，熱穩(wěn)定性越高(從圖1可以看出)。結(jié)晶溫度越高，熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持力越高。第二，Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜中[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5具有多級相變性能，即第一次相變后，多層薄膜的電阻由高阻態(tài)變?yōu)橹虚g電阻態(tài)，第二次相變后則由中間態(tài)變?yōu)榈碗娮钁B(tài)，三個電阻態(tài)分別對應(yīng)于二進制邏輯上的“00”、“01”和“10”態(tài)，在傳統(tǒng)相變材料兩個電阻態(tài)的基礎(chǔ)上增加一個中間電阻態(tài)，有利于提高PCM的存儲密度；第三，由于Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜中富Sb的Ge8Sb92的存在使得多層薄膜具有較快的相變速度；第四，Ge50Te50/Ge8Sb92納米復(fù)合多層相變薄膜中界面的存在使得薄膜的熱導(dǎo)率降低，從而提高加熱效率，有利于降低PCM的操作功耗。附圖說明圖1為本專利技術(shù)所制備的[Ge50Te50(4nm)/Ge8Sb92(8nm)]4、[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5、[Ge50Te50(8nm)/Ge8Sb92(4nm)]4納米復(fù)合多層相變薄膜的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線。圖2(a)為本專利技術(shù)所制備的[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5納米復(fù)合多層相變薄膜在不同升溫速率下的原位電阻和溫度的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種納米復(fù)合多層相變薄膜，其特征在于，該相變薄膜為Ge

【技術(shù)特征摘要】
1.一種納米復(fù)合多層相變薄膜，其特征在于，該相變薄膜為Ge50Te50相變材料和Ge8Sb92相變材料呈周期性復(fù)合得到納米復(fù)合多層相變薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米復(fù)合多層相變薄膜，其特征在于，所述的相變薄膜的結(jié)構(gòu)通式為[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x，總厚度為32～80nm，其中，a為每層相變薄膜中Ge50Te50材料的厚度，為4～8nm，b為每層相變薄膜中Ge8Sb92材料的厚度，為4～8nm，x為相變薄膜結(jié)構(gòu)的周期數(shù)，x為4或5。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米復(fù)合多層相變薄膜，其特征在于，所述的相變薄膜采用磁控濺射方法生長于SiO2/Si(100)基片上。4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的納米復(fù)合多層相變薄膜的制備方法，其特征在于，該方法采用以下步驟：(1)將SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去離子水中，超聲清洗15～30min，然后用高純N2吹干，待用；(2)安裝好濺射靶材，先后開啟機械泵和分子泵抽真空；(3)設(shè)定濺射氣體流量、腔內(nèi)濺射氣壓、靶材的濺射功率；(4)采用室溫磁控濺射方法制備[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x納米復(fù)合多層相變薄膜：(4-1)將基片旋轉(zhuǎn)到Ge8Sb92靶位，開啟Ge8Sb92的射頻濺射電...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：翟繼衛(wèi)，吳衛(wèi)華，陳施諭，
申請(專利權(quán))人：同濟大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31