一种掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法，相变薄膜材料由Zn、Sb、N三种元素组成，其化学组成通式为Nx（Zn15Sb85）1‑x，其中0.40≤x≤0.41。制备时通过在射频溅射沉积Zn15Sb85薄膜的过程中同时通入氩气和氮气，得到的相变薄膜材料中掺杂氮元素。本发明专利技术的掺氮改性相变薄膜材料与纯的Zn15Sb85薄膜相比，改性后的薄膜具有较快的晶化速度，大大提高相变存储器的存储速度；而且改性后的薄膜的晶化温度和激活能较高，数据保持能力得到加强；掺氮改性相变薄膜材料的晶态电阻和非晶态电阻更高，使得RESET功耗降低，有限降低用其制作的相变存储器的操作功耗。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为201410123117.9，申请日为2014年3月28日，专利技术创造名称为“掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及微电子
的相变存储材料及其制备方法，具体涉及一种用于相变存储器的掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
相变存储器（PCRAM）是利用硫系材料在晶态和非晶态之间的可逆转换从而实现信息存储的一种新型非挥发性存储器。当相变材料处于非晶态时具有高电阻，晶态时具有低电阻，利用电脉冲产生的焦耳热实现高阻态与低阻态之间的重复转换，达到信息存储的目的。它具有功耗低、读取速度快、稳定性强、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容等优点，因而受到越来越多的研究者的关注（Zhou Xilin等，Applied Physics Letter, 103（7）, 072114, 2013）。与传统的Ge2Sb2Te5相变材料相比，Zn-Sb合金具有更快的相变速度，尤其是Sb富余的Zn-Sb合金具有超高的相变速度，使其具有成为超高速PCRAM用相变材料的巨大潜力(Park, Tae Jin等Japanese Journal Of Applied Physics, 46（23）, L543, 2007)。然而Zn-Sb合金也存在自身的一些缺点，那就是稳定性不高。例如纯的Zn15Sb85合金的晶化温度为160℃左右，利用其制造的相变存储器只能在91℃将数据保持10年，在更高的温度下数据保持能力会急剧下降，因而无法满足实际应用的需要。提高相变存储材料的数据保持力的方法较为常见的有：1、改变材料中各元素组分；2、掺杂其他元素进行改性；3、研究开发新材料。例如中国专利文献CN 103247757 A 公开了一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法，该材料是一种由锌、锑、碲三种元素组成的混合物。所述的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料采用Sb2Te3合金靶和Zn单质靶共溅射形成。相比于Zn-Sb合金，该文献公开的存储薄膜材料中增加了碲元素，存储性能得到提升。但是碲元素属于环境不友好的化学元素，容易造成一定的环境污染。而且，碲元素在半导体工艺中容易发生挥发，从而污染整个半导体生产设备。另外，含碲的相变材料经过多次循环以后容易发生分相，从而影响器件的疲劳特性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法。实现本专利技术目的的技术方案是一种掺氮改性的相变薄膜材料，由Zn、Sb、N三种元素组成，其化学组成通式为Nx（Zn15Sb85）1-x，其中0.40≤x≤0.41。一种如上所述的掺氮改性的相变薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：①基片的准备，将基片洗净烘干待用。②磁控溅射的准备，在磁控溅射镀膜系统中，将步骤①准备的待溅射的基片放置在基托上，将Zn15Sb85合金靶材安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空；然后向溅射腔室通入高纯氩气和高纯氮气至溅射腔室内气压达到0.15Pa～0.25Pa。③Nx（Zn15Sb85）1-x薄膜的制备，调节向溅射腔室通入的高纯氩气的流量为24 sccm ～26sccm，高纯氮气流量为4sccm～6sccm，溅射气压为0.15 Pa～0.25 Pa；设定溅射功率15W～25W；首先清洁Zn15Sb85靶材表面，待Zn15Sb85靶材表面清洁完成后，关闭Zn15Sb85靶上所施加的射频电源，将待溅射基片旋转到Zn15Sb85靶位，开启Zn15Sb85靶位射频电源，于室温下溅射20s～40s后得到掺氮改性的相变薄膜材料。上述步骤①中进行基片清洗烘干操作时，先在超声清洗机中将基片在丙酮中超声清洗3～5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗；接着在超声清洗机中将基片在乙醇中超声清洗3～5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗，冲洗干净后用高纯N2吹干表面和背面；吹干后的基片送入烘箱中烘干水汽，完成基片的准备。上述步骤③中清洁Zn15Sb85靶材表面时，将空基托旋转到Zn15Sb85靶位，打开Zn15Sb85靶上所施加的射频电源，开始对Zn15Sb85靶材进行溅射以清洁Zn15Sb85靶材表面，溅射时间为80s～120s。本专利技术具有积极的效果：（1）本专利技术通过在射频溅射沉积Zn15Sb85薄膜的过程中同时通入氩气和氮气，得到的相变薄膜材料中掺杂氮元素，N与Zn形成稳定性较高的氮化物非晶颗粒，分布在相变材料周围，一方面阻止相变材料的晶化，提高相变材料整体的热稳定性；另一方面，Zn能减小晶粒尺寸，增加晶界数量，从而增加晶态电阻，降低器件在RESET过程中的功率消耗。（2）本专利技术的掺氮改性相变薄膜材料与纯的Zn15Sb85薄膜相比，掺入氮原子后，改性后的薄膜具有较快的晶化速度，能够大大提高相变存储器的存储速度；而且改性后的薄膜的晶化温度和激活能较高，数据保持能力得到加强，提高了用其制作的相变存储器的稳定性；相比于未掺氮的Zn15Sb85薄膜材料，掺氮改性相变薄膜材料的晶态电阻和非晶态电阻更高，使得RESET功耗降低，有限降低用其制作的相变存储器的操作功耗。掺氮改性Zn15Sb85得到的相变薄膜材料是一种高速、高稳定性、低功耗的相变材料，制备方法成本低，工艺可控性强，易于工业化大规模生产，具有较好的市场应用前景。附图说明图1为本专利技术的实施例1至实施例4制备的的相变薄膜材料及对比例1的Zn15Sb85薄膜相变材料的原位电阻与温度的关系曲线。图2为本专利技术的实施例1至实施例4制备的的相变薄膜材料及对比例1的Zn15Sb85薄膜相变材料失效时间与温度倒数的对应关系曲线。具体实施方式（实施例1）本实施例的相变薄膜材料是由N掺杂改性Zn15Sb85得到的相变薄膜材料，其化学组成通式为Nx（Zn15Sb85）1-x，其中0.29≤x≤0.49（本实施例中为0.2913）。本实施例的掺氮改性的相变薄膜材料的制备方法包括以下步骤：①基片的准备。选取尺寸为5mm×5mm的SiO2/Si(100)基片，先在超声清洗机中将基片在丙酮（纯度为99%以上）中超声清洗3～5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗；接着在超声清洗机中将基片在乙醇（纯度在99%以上）中超声清洗3～5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗，冲洗干净后用高纯N2吹干表面和背面；吹干后的基片送入烘箱中烘干水汽，烘干后的基片待用，其中烘箱温度设置为120℃，烘干时间20分钟。②磁控溅射的准备。在磁控溅射镀膜系统（JGP-450型）中，将步骤①准备的待溅射的基片放置在基托上，将Zn15Sb85合金（纯度均达到99.999%）靶材安装在磁控射频（RF）溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至腔室内真空度达到1×10-4 Pa；然后向溅射腔室通入高纯氩气和高纯氮气至溅射腔室内气压达到0.2Pa。高纯氩气中氩气体积百分比均达到99.999%；高纯氮气中氮气体积百分比均达到99.999%。③Nx（Zn15Sb85）1-x薄膜的制备。调节向溅射腔室通入的高纯氩气的流量为27sccm，高纯氮气流量为3sccm，溅射气压为0.15 Pa～0.25 Pa（本实施例中为0.2Pa）；设定溅射功率15W～25W（本实施例中为20W）。将空基托旋转到Zn15Sb85靶位，打开Zn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺氮改性的相变薄膜材料，其特征在于：由Zn、Sb、N三种元素组成，其化学组成通式为Nx（Zn15Sb85）1‑x，其中0.40≤x≤0.41。

【技术特征摘要】
1.一种掺氮改性的相变薄膜材料，其特征在于：由Zn、Sb、N三种元素组成，其化学组成通式为Nx（Zn15Sb85）1-x，其中0.40≤x≤0.41。2.一种如权利要求1所述的掺氮改性的相变薄膜材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：①基片的准备，将基片洗净烘干待用；②磁控溅射的准备，在磁控溅射镀膜系统中，将步骤①准备的待溅射的基片放置在基托上，将Zn15Sb85合金靶材安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空；然后向溅射腔室通入高纯氩气和高纯氮气至溅射腔室内气压达到0.15Pa～0.25Pa；③Nx（Zn15Sb85）1-x薄膜的制备，调节向溅射腔室通入的高纯氩气的流量为24 sccm ～26sccm，高纯氮气流量为4sccm～6sccm，溅射气压为0.15 Pa～0.25 Pa；设定溅射功率15W～25W；首先清洁Zn15Sb85靶材表面，待Zn15Sb85靶材表...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小芹，胡益丰，薛建忠，吴卫华，眭永兴，郑龙，袁丽，江向荣，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32