一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用，该相变薄膜为Ge

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用
本专利技术属于微电子材料
，尤其是涉及一种纳米复合多层相变薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
相变存储器(Phasechangememory，PCM)是一种新型的非易失性半导体存储器，其原理是利用相变材料在电脉冲加热作用下能够在高阻非晶态和低阻多晶态之间高速可逆转变，从而实现二进制信息存储。PCM写操作(RESET)是指给相变材料施加一个短而强的电脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度(Tm)以上，并经过快速淬火导致材料晶态的长程有序遭到破坏，实现材料从晶态到非晶态的转变。PCM擦操作(SET)是指给相变材料施加一个幅度适中且作用时间较长的电脉冲，使材料温度升高到大于结晶温度(Tc)，且低于熔化温度(Tm)，实现材料从短程有序非晶态到长程有序晶态的转变。PCM读操作(READ)是通过欧姆定律量取存储单元阻值判别材料的非晶或晶态。Ge2Sb2Te5是目前研究最成熟、应用最广泛的相变材料。尽管如此，Ge2Sb2Te5相变材料仍存在着诸多有待改善的问题：第一，Ge2Sb2Te5相变材料结晶温度(160℃)、析晶活化能(2.24eV)和十年数据保持力(85℃)等性能指标不能满足汽车电子(120℃)和航空领域(150℃)的要求；第二，Ge2Sb2Te5相变材料的结晶机制属于成核占优型，较慢的相变速度无法满足未来高速存储器的要求；第三，Ge2Sb2Te5相变材料在相变前后较大的密度变化比(6.8％)大大降低PCM的可靠性和疲劳特性。为此，研究界通过对Ge2Sb2Te5材料中掺入元素改性，如C、N、Sn掺杂以提高热稳定性和操作速度；掺入介质材料(如SiO2、Ta2O5、HfO2等)形成复合相变材料以提高热稳定性与降低功耗等。中国专利CN101540370B公开了一种用于相变存储器的GeTe/Sb2Te3纳米复合多层薄膜，该相变薄膜既具有高相变速度又具有高热稳定性，且有效地提高PCM的开关比，保证数据读取的可靠性。中国专利CN103378289B公开了一种用于高速高密度相变存储器的SbSe/Ga30Sb70多层纳米复合薄膜材料，该相变薄膜具有高、中、低三个电阻态，能够实现多级存储，提高PCM的存储密度。本专利技术中所选用的二元相变材料Ge50Te50具有较高的结晶温度和良好的热稳定性等优点，但其结晶速度相对较低且高低电阻开关比较大；富Sb的二元相变材料Ge8Sb92具有较快的结晶速度，可以实现数据的高速存储，但其较低的结晶温度不利于数据保存的稳定性和可靠性，且较低的晶态电阻导致操作功耗相对较高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有热稳定性好、相变速度快、存储密度高等综合性能优越的新型纳米相变薄膜。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米复合多层相变薄膜，为热稳定性较好的Ge50Te50相变材料和相变速度较快的Ge8Sb92相变材料呈周期溅射得到的膜层。所述的相变薄膜的结构通式为[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x，总厚度为32～80nm，其中，a为每层相变薄膜中Ge50Te50材料的厚度，为4～8nm，b为每层相变薄膜中Ge8Sb92材料的厚度，为4～8nm，x为相变薄膜结构的周期数，x为4或5。所述的相变薄膜采用磁控溅射方法生长于SiO2/Si(100)基片上。纳米复合多层相变薄膜的制备方法，采用以下步骤：(1)将SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去离子水中，超声清洗15～30min，然后用高纯N2吹干，待用；(2)安装好溅射靶材，先后开启机械泵和分子泵抽真空；(3)设定溅射气体流量、腔内溅射气压、靶材的溅射功率；(4)采用室温磁控溅射方法制备[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x纳米复合多层相变薄膜：(4-1)将基片旋转到Ge8Sb92靶位，开启Ge8Sb92的射频溅射电源，开始溅射Ge8Sb92薄膜，Ge8Sb92薄膜溅射完成后，关闭Ge8Sb92的交流溅射电源。(4-2)将基片旋转到Ge50Te50靶位，开启Ge50Te50的射频溅射电源，开始溅射Ge50Te50薄膜，Ge50Te50薄膜溅射完成后，关闭Ge50Te50的交流溅射电源。(4-3)重复上述(4-1)、(4-2)两步，直到完成纳米相变薄膜设定的周期数。步骤(4-1)溅射Ge8Sb92时，采用的本底真空度为2×10-4Pa，溅射气体为体积百分比均达到99.999％的高纯Ar气，溅射气体的流量为30～50SCCM，溅射气压为0.2～0.5Pa，溅射功率为15～30W，溅射速度为1.5～6.5s/nm。步骤(4-2)中溅射Ge50Te50时，采用的本底真空度为2x10-4Pa，溅射气体为体积百分比均达到99.999％的高纯Ar气，溅射气体的流量为30～50SCCM，溅射气压为0.2～0.5Pa，溅射功率为15～30W，溅射速度为1.2～3.5s/nm。制备得到的相变薄膜可以应用于相变存储器。与现有的相变材料Ge2Sb2Te5等技术相比，本专利技术具有以下优点：第一，Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜的结晶温度和热稳定性可以通过Ge50Te50/Ge8Sb92的厚度比和周期数进行调控，且随着Ge50Te50/Ge8Sb92厚度比的增加而提高，有利于提升PCM的数据保持力，这是因为，单层Ge50Te50和Ge8Sb92的结晶温度分别约为240℃和160℃，而Ge2Sb2Te5的结晶温度约为160℃。通过将单层Ge50Te50和单层Ge8Sb92纳米交替溅射得到复合多层相变薄膜的相变温度应介于240℃和160℃，因此Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜的热稳定性优于Ge2Sb2Te5。另，Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜的结晶温度受厚度比和周期数的影响，Ge50Te50与Ge8Sb92的厚度比越高，热稳定性越高(从图1可以看出)。结晶温度越高，热稳定性和数据保持力越高。第二，Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜中[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5具有多级相变性能，即第一次相变后，多层薄膜的电阻由高阻态变为中间电阻态，第二次相变后则由中间态变为低电阻态，三个电阻态分别对应于二进制逻辑上的“00”、“01”和“10”态，在传统相变材料两个电阻态的基础上增加一个中间电阻态，有利于提高PCM的存储密度；第三，由于Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜中富Sb的Ge8Sb92的存在使得多层薄膜具有较快的相变速度；第四，Ge50Te50/Ge8Sb92纳米复合多层相变薄膜中界面的存在使得薄膜的热导率降低，从而提高加热效率，有利于降低PCM的操作功耗。附图说明图1为本专利技术所制备的[Ge50Te50(4nm)/Ge8Sb92(8nm)]4、[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5、[Ge50Te50(8nm)/Ge8Sb92(4nm)]4纳米复合多层相变薄膜的原位电阻与温度的关系曲线。图2(a)为本专利技术所制备的[Ge50Te50(5nm)/Ge8Sb92(5nm)]5纳米复合多层相变薄膜在不同升温速率下的原位电阻和温度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米复合多层相变薄膜，其特征在于，该相变薄膜为Ge

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合多层相变薄膜，其特征在于，该相变薄膜为Ge50Te50相变材料和Ge8Sb92相变材料呈周期性复合得到纳米复合多层相变薄膜。2.根据权利要求1所述的一种纳米复合多层相变薄膜，其特征在于，所述的相变薄膜的结构通式为[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x，总厚度为32～80nm，其中，a为每层相变薄膜中Ge50Te50材料的厚度，为4～8nm，b为每层相变薄膜中Ge8Sb92材料的厚度，为4～8nm，x为相变薄膜结构的周期数，x为4或5。3.根据权利要求1所述的一种纳米复合多层相变薄膜，其特征在于，所述的相变薄膜采用磁控溅射方法生长于SiO2/Si(100)基片上。4.如权利要求1-3中任一项所述的纳米复合多层相变薄膜的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去离子水中，超声清洗15～30min，然后用高纯N2吹干，待用；(2)安装好溅射靶材，先后开启机械泵和分子泵抽真空；(3)设定溅射气体流量、腔内溅射气压、靶材的溅射功率；(4)采用室温磁控溅射方法制备[Ge50Te50(a)/Ge8Sb92(b)]x纳米复合多层相变薄膜：(4-1)将基片旋转到Ge8Sb92靶位，开启Ge8Sb92的射频溅射电...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，吴卫华，陈施谕，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31