一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及纳米材料技术领域，涉及一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的材料包括二氧化硅薄膜材料和单质锑薄膜材料，二者通过磁控溅射法进行纳米量级的交替叠加。本发明专利技术的材料的结构通式为[SiO2(a)/Sb(b)]x，其中：a表示单层SiO2薄膜的厚度(nm)，并且1≤a≤9；b表示单层Sb薄膜的厚度(nm)，并且1≤b≤8；x表示单层SiO2薄膜和单层Sb薄膜的交替周期数，并且x为任一正整数。本发明专利技术的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料具有较快的相变速度、较好的热稳定性以及较低的操作功耗，适合于制备高速、高稳定性、低功耗相变存储器，极具市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。
技术介绍
相变存储器(Phase-Change Random Access Memory，缩写为PCRAM)利用相变材料在晶态和非晶态的巨大电阻差异来实现信息存储。相变材料在非晶态时具有较高的电阻率，而在晶态时具有较低的电阻率，两态之间的电阻差异可以达到2个数量级以上。通过电流诱导的焦耳热，可以实现相变材料在两个电阻态之间的快速转变。PCRAM具有循环寿命长(>1013次)、元件尺寸小、存储密度高、读取速度快、稳定性好、抗振动以及与现有集成电路工艺相兼容等优点，因而受到越来越多研究者和企业的关注(Yifeng Hu,et al.,Applied Physics Letter,2015,107:263105)。近年来，PCRAM以其巨大的优势，被国际半导体工业协会认为是最有可能取代目前的闪存而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的下一代非易失性存储器。相变材料是PCRAM的核心，其性能直接决定PCRAM的各项技术性能。Ge2Sb2Te5是目前广泛采用的相变存储材料，虽然其各方面的性能均衡，没有太大的缺点，但仍存在很多有待改善和提高的地方。首先，相变存储器的操作速度主要受限于薄膜材料的相变过程，而Ge2Sb2Te5的晶化机制以形核为主，使其相变速度较慢，无法满足未来高速、大数据时代的信息存储要求，结晶速度有待提高；其次，Ge2Sb2Te5的热稳定性较差，晶化温度只有160℃左右，仅能在85℃的环境温度下将数据保持10年，还不能完全满足未来高集成度半导体芯片的要求；最后，Ge2Sb2Te5较高的熔点及较低的晶态电阻使得PCRAM需要较大的驱动电流来完成RESET操作，导致其RESET功耗较大。近年来，类超晶格相变材料受到持续关注。首先，与传统的单层Ge2Sb2Te5相变材料相比，类超晶格结构具有较低的热导率，可以减少加热过程中的热量散失，从而提高加热效率(Ruirui Liu,et al.,Materials Letters,2016,163:20-23)；其次，利用类超晶格结构中多层界面的夹持效应可以抑制晶化、减小晶粒尺寸，从而缩短结晶时间，在提高热稳定性的同时加快相变速度；最后，类超晶格相变薄膜在相变前后的密度改变较小，可以保证相变层和电极材料之间的有效良好接触，从而提高PCRAM器件的可靠性。因而，此类超晶格相变材料是一种非常有开发潜力的相变材料。
技术实现思路
针对上述情况，本专利技术的目的在于克服传统相变材料的缺点和不足，提供一种相变速度较快、热稳定性较好且功耗较低的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。本专利技术的设计思路如下所述：SiO2的非晶态电阻较高，而Sb在室温条件下就已经晶化，因此这两种材料由于均无法单独用于制备相变存储器。通过磁控溅射的方法将两种材料进行纳米量级多层复合，可以形成类超晶格结构，在界面处利用部分结晶的Sb诱导SiO2结晶，可以降低相变材料的非晶化电阻，提高相变速率，减小结晶前后的电阻比值和体积变化，提高相变存储器的可靠性和循环寿命。同时，通过调节SiO2和Sb的厚度比可以优化类超晶格纳米相变薄膜材料的性能(如晶化温度、结晶激活能、十年数据保持力、晶态/非晶态电阻、相变速率等)，进而制备性能优异的相变存储器。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料，其包括二氧化硅(SiO2)薄膜材料和单质锑(Sb)薄膜材料，二者通过交替叠加形成类超晶格结构。优选的，所述SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料的结构通式为[SiO2(a)/Sb(b)]x，其中：a表示单层SiO2薄膜材料的厚度，单位为nm，并且1≤a≤9；b表示单层Sb薄膜材料的厚度，单位为nm，并且1≤b≤8；x表示单层SiO2薄膜材料和单层Sb薄膜材料的交替周期数，并且x为任一正整数。因此，所述SiO2/Sb类超晶格相变薄膜材料的总厚度为[(a+b)*x]。在设计相变存储器时，通常要求相变材料的厚度控制在50～100nm的范围之内，并且在不降低性能的前提下，希望该厚度越小越好，这样就可以实现更高的存储密度和更小的器件尺寸。另外，本专利技术的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料的厚度可以通过溅射时间来调控。一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料的制备方法，其通过磁控溅射法将SiO2薄膜材料和单质Sb薄膜材料进行纳米量级复合，形成具有类超晶格结构的纳米相变薄膜材料。优选的，所述磁控溅射法采用的衬底为SiO2/Si(100)基片；溅射靶材为SiO2(优选原子百分比纯度达到99.999％)和Sb(优选原子百分比纯度达到99.999％)；溅射气体为高纯氩气(优选体积百分比纯度达到99.999％)。优选的，所述磁控溅射法的本底真空度不大于1×10-4Pa；溅射功率为25～35W，优选30W；氩气气体流量为25～35sccm，优选30sccm；溅射气压为0.15～0.35Pa，优选0.3Pa。优选的，所述磁控溅射法具体包括如下步骤：1)清洗SiO2/Si(100)基片；2)装好溅射靶材；设定溅射功率、溅射氩气流量及溅射气压；3)采用射频溅射程序制备SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料。优选的，步骤3)中所述射频溅射程序包括如下步骤：a)将空基托旋转到SiO2靶位，打开SiO2靶上的射频电源，依照设定的溅射时间(如100s)，开始对SiO2靶材表面进行溅射，清洁SiO2靶材表面；b)SiO2靶材表面清洁完成后，关闭SiO2靶上的射频电源，将空基托旋转到Sb靶位，开启Sb靶上的射频电源，依照设定的溅射时间(如100s)，开始对Sb靶材表面进行溅射，清洁Sb靶材表面；c)Sb靶材表面清洁完成后，将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Sb靶位，打开Sb靶上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射Sb薄膜；d)Sb薄膜溅射完成后，关闭Sb靶上的射频电源，将已经溅射了Sb薄膜的基片旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射SiO2薄膜；e)重复步骤c)和d)中溅射Sb薄膜和SiO2薄膜的操作，即在SiO2/Si(100)基片上制备出SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料。利用本专利技术的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料在非晶态时的高阻和在晶态时的低阻可以进行逻辑数据“1”和“0”的存储，因此本专利技术的纳米相变薄膜材料可用于制备相变存储器，特别是高速、高稳定性、低功耗的相变存储器。与现有技术相比，采用上述技术方案的本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料利用类超晶格结构中多层界面的夹持效应，减小晶粒尺寸，从而缩短结晶时间、抑制晶化，在提高材料热稳定性的同时，加快了相变速度；(2)随着[SiO2(a)/Sb(b)]x类超晶格纳米相变薄膜中SiO2层相对厚度的增加，相变薄膜的晶化温度逐渐提高，更高的晶化温度意味着相变薄膜具有更好的非晶热稳定性；(3)随着[SiO2(a)/Sb(b)]x类超晶格纳米相变薄膜中SiO2层相对厚度的增加，相变薄膜的非晶态和晶态的电阻均有所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料，其包括二氧化硅薄膜材料和单质锑薄膜材料，二者通过交替叠加形成类超晶格结构。

【技术特征摘要】
1.一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料，其包括二氧化硅薄膜材料和单质锑薄膜材料，二者通过交替叠加形成类超晶格结构。2.根据权利要求1所述的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料，其特征在于：所述SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料的结构通式为[SiO2(a)/Sb(b)]x，其中：a表示单层SiO2薄膜材料的厚度，单位为nm，并且1≤a≤9；b表示单层Sb薄膜材料的厚度，单位为nm，并且1≤b≤8；x表示单层SiO2薄膜材料和单层Sb薄膜材料的交替周期数，并且x为任一正整数。3.一种根据权利要求1或2所述的SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料的制备方法，其通过磁控溅射法将SiO2薄膜材料和单质Sb薄膜材料进行纳米量级复合，形成具有类超晶格结构的纳米相变薄膜材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射法采用的衬底为SiO2/Si(100)基片；溅射靶材为SiO2和Sb；溅射气体为氩气。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述溅射靶材为原子百分比纯度达到99.999％的SiO2和原子百分比纯度达到99.999％的Sb；所述溅射气体为体积百分比纯度达到99.999％的氩气。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射法的本底真空度不大于1×10-4Pa；溅射功率为25～35W；氩气气体流量为25～35sccm；溅射气压为0.15～0.35Pa。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小芹，胡益丰，翟良君，陈奥，陈雅蓉，薛建忠，邹华，孙月梅，袁丽，吴卫华，张建豪，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32