專利名稱：用于相變存儲器的納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于相變存儲器的納米復(fù)合多層相變 薄膜材料。
背景技術(shù)：
相變存儲器(PCM)具有高速、高可靠性、低功耗、長循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，并且特征尺 寸縮小能力優(yōu)越，使得PCM極有可能取代目前的FLASH，成為未來非揮發(fā)存儲技術(shù)市場主流 產(chǎn)品最具競爭者之一。相變存儲器的操作原理是基于硫系化合物合金薄膜在電場激發(fā)下晶 態(tài)和非晶態(tài)的可逆相變，這些材料的晶態(tài)和非晶態(tài)有著巨大差異的電阻率，分別對應(yīng)著二 進(jìn)制數(shù)字的“1”和“0”。目前廣泛應(yīng)用于相變存儲器的相變材料是GeTe-Sb2I^3偽二元化合物，其中對于 組份Ge52Sb2I^5 (GST)的研究最多，然而GST存在著一些缺陷，例如低的結(jié)晶溫度使得非晶態(tài) 的熱穩(wěn)定性較差，高的RESET電流導(dǎo)致器件單元的操作功耗較高。因此，如何尋求一種具有 良好熱穩(wěn)定性、低功耗的相變薄膜材料，已成為本技術(shù)領(lǐng)域人員急需解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Bi2Te3/Sb2Te3(J.Appl. Phys. ,90 :763,2001), InAs/AlSb (Microscale Thermophys. Eng. , 5 :225, 2001)、GaAs/AlGaAs (J. Heat. Trans-T ASME.，116 :325,1994)禾Π Si/Ge (Appl. Phys. Lett. ,70 :2957,1997)等超晶格材料的熱導(dǎo)率 明顯低于其三維體材料的熱導(dǎo)率，納米復(fù)合多層薄膜是由兩種或兩種以上的材料以納米級 厚度交替沉積而成的多層結(jié)構(gòu)薄膜，通過對周期厚度和周期數(shù)的調(diào)制，可以制備類超晶格 的納米復(fù)合多層薄膜材料。對于相變存儲材料來說，較低的熱導(dǎo)率可以降低器件在編程過 程中的熱量損失，從而提高了熱量的利用率，達(dá)到降低器件功耗的目的；同時，由于多層薄 膜各個組分間“取長補(bǔ)短”，使得多層薄膜具備單層薄膜難以達(dá)到的各種特殊性能，引起了 人們的極大關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種用于相變存儲器的 GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料，所述相變薄膜材料具有相對較高的結(jié)晶溫度、 良好的熱穩(wěn)定性，同時還具有較低的器件單元操作電壓，所述相變薄膜材料通過射頻交替 沉積納米級的Ge2Sb2I^5薄膜和GeTe薄膜而成。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于相變存儲器的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料，所述GeTe/ Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料中單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2Te5薄膜交替排列成多 層膜結(jié)構(gòu)，所述單層GeTe薄膜的厚度為1 15nm，所述單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度為1 15nm。本發(fā)明的用于相變存儲器的GeTeZGe2Sb2I^m米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)構(gòu)符 合如下通式
[GeTe (a) /Ge2Sb2Te5 (b) ]x,式中a、b分別表示所述單層(ieTe薄膜和單層Gejb2I^5薄膜的厚度，1≤a≤15nm, 1≤b≤15nm ；χ表示所述GeTe/Ge2Sb2I^5納米復(fù)合多層相變薄膜材料中所述單層GeTe薄 膜和所述單層Ge2Sb2I^5薄膜的調(diào)制周期數(shù)，χ為正整數(shù)，且χ通過薄膜總厚度與所述單層 GeTe薄膜及所述單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度計(jì)算得出，優(yōu)選為5 < χ < 17。較佳的，本發(fā)明所述的GeTe/Ge2Sb2I^5納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)符合下 式[GeTe (a) /Ge2Sb2Te5 (b) ]x,其中，1 ≤ a ≤ 15nm，b = 5nm ；其中優(yōu)選組分如 [GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10 和 [GeTe (7nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 8。較佳的，本發(fā)明所述的GeTe/Ge2Sb2I^5納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)符合下 式[GeTe (a)/Gii2Sb2Tii5 (b)]x，其中，a = 5nm, 1 ≤ b ≤ 15nm ；優(yōu)選的，本發(fā)明所述的用于相變存儲器的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜 材料的總厚度為lOOnm。較佳的，本發(fā)明所述用于相變存儲器的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材 料的蓋帽層為GeTe薄膜。本發(fā)明所述用于相變存儲器的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)晶 溫度隨著周期中單層GeTe薄膜厚度的增加而升高，并且基于(^TeZGe2Sb2Te55納米復(fù)合多層 相變薄膜材料的相變存儲器件單元可以通過電脈沖來實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變。本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明所述的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的 結(jié)晶溫度可以通過周期中GeTe層厚度進(jìn)行調(diào)制，本發(fā)明所述的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合 多層相變薄膜材料比目前常用的Ge2Sb2I^5材料有著更高的結(jié)晶溫度，有著更好的非晶態(tài) 熱穩(wěn)定性。本發(fā)明所述用于相變存儲器的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料比 Ge2Sb2Te5材料有著更低的器件操作電壓，從而這種材料比Ge2Sb2I^5有著更低的功耗。本發(fā)明所述的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料采用磁控交替濺射方法 制備，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為GeTe和Ge2Sb2Te5，濺射氣體為Ar氣。較佳的，所述GeTe靶材的純度在質(zhì)量百分比99. 999 %以上，所述Ge2Sb2I^5靶材的 純度在質(zhì)量百分比99. 999%以上，本底真空度不大于IX 10_4Pa。較佳的，所述GeTe和Ge2Sb2I^5靶材都采用射頻電源，且濺射射頻功率為15 25ff0較佳的，所述Ar氣的純度為體積百分比99. 999%以上，氣體流量為25 35SCCM， 濺射氣壓為0. 15 0. 25Pa。本發(fā)明所述GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備過程具體包括以下 步驟1)清洗 Si02/Si (100)基片；2)安裝好濺射靶材設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；3)采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料a)將基片旋轉(zhuǎn)到Ge52Sb2I^5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間，開始濺射Ge2Sb2I^5薄膜；b)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge52Sb2I^5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn) 到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間，開始濺射GeTe薄膜；c)重復(fù) a)和 b)兩步，即在 Si02/Si (100)基片上制備 GeTeZiGe2SbJe5... GeTe/ Ge2Sb2Te5/Si02/Si多層薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，通過調(diào)制GeThGejb2I^5靶 材的濺射時間來控制多層薄膜周期中GeTe和Ge2Sb2I^5薄膜的厚度和周期數(shù)，從而形成所 需結(jié)構(gòu)的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料。本發(fā)明的GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)晶溫度可以通過多層薄 膜周期中單層GeTe薄膜的厚度或者單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度來調(diào)制，且其中多層薄膜周 期中單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度可以通過濺射時間來調(diào)控。本發(fā)明所述用于相變存儲器的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料具有 如下特點(diǎn)首先，GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)晶溫度可以通過周期中 單層GeTe薄膜或者單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度來調(diào)制，且隨著GeTe薄膜厚度的增加而升 高；其次，GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料比傳統(tǒng)的Ge2Sb2I^5材料具有更好的 熱穩(wěn)定性；再次，基于GeTeZGe2Sb2Te55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器件比基于 Ge2Sb2Te5的相變存儲器件具有更低的操作電壓。所述GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器件顯示出良好的循 環(huán)操作特性，高低電阻之間有大于100的比例，因此具有良好的熱穩(wěn)定性和開關(guān)比，充分說 明其在相變存儲器應(yīng)用上的巨大潛力。


圖1為實(shí)施例1中[GeTe (a) A^2Sb2Te5 (5nm)]x納米復(fù)合多層相變薄膜材料和對比 例1的GeTe薄膜、對比例2的Ge2Sb2I^5薄膜的電阻與溫度的關(guān)系曲線。圖2為實(shí)施例1中基于[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜材 料的相變存儲器存儲單元的I-V特性曲線。圖3為基于對比例2的Ge2Sb2I^5的相變存儲器存儲單元的I_V特性曲線。圖4為實(shí)施例1中基于[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜材 料的相變存儲器儲單元的在不同脈沖寬度時的R-V特性曲線。圖5為基于對比例2的Ge52Sb2I^5的相變存儲器存儲單元在不同脈沖寬度時的R-V 特性曲線。圖6為實(shí)施例1中基于[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜材 料的相變存儲器存儲單元的循環(huán)操作疲勞特性。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1制備以下結(jié)構(gòu)的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其薄膜材料的結(jié) 構(gòu)具體為[GeiTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10 和[GeiTe (7nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 8，且所述 GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。具體制備步驟如下1)清洗Si02/Si(100)基片清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)；在 丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；然后在乙醇溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘， 去離子水沖洗，高純隊(duì)吹干表面和背面；在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘；2)安裝好濺射靶材設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；3)采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材 料a)將基片旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2I^5靶位，打開Ge2Sb2I^5靶上的射頻電源，開始濺射Ge2Sb2I^5 薄膜，濺射時間固定為15s ；b)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge52Sb2I^5靶上所施加的射 頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間，開始 濺射GeI1e薄膜；c)重復(fù)a)和b)兩步，即在Si02/Si (100)基片上制備GeIWiGe2Sb2Tiv" GeTe/Ge2Sb2Te5/Si02/Si多層薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，通過調(diào)制GeTe靶材 的濺射時間來控制多層薄膜周期中GeTe薄膜的厚度和周期數(shù)，從而形成所需結(jié)構(gòu)的GeTe/ Ge2Sb2I^5納米復(fù)合多層相變薄膜材料；濺射過程中，襯底采用Si02/Si(100)基片，濺射靶材 為純度在質(zhì)量百分比99. 999%以上的GeI1e和99. 999%以上的Ge2Sb2I1e5，本底真空度不大 于1 X IO-4Pa,濺射氣體為體積百分比99. 999%以上的Ar氣；氣體流量為30SCCM，濺射氣壓 為0. 2Pa，濺射射頻功率為20W。對比例1制備厚度為IOOnm的GeTe相變薄膜，包括以下步驟步驟1 清洗 Si02/Si (100)基片；步驟2采用室溫磁控濺射的方法制備GeTe相變薄膜前準(zhǔn)備a)安裝好GeTe合金靶，靶的純度為99. 999% (質(zhì)量百分比)，本底真空度優(yōu)于 1 X KT4Pa ；b)射頻功率定為20W;c)使用純度為99. 999%的Ar氣作為濺射氣體，氣體流量控制在30SCCM，濺射氣壓 為 0. 2Pa0步驟3采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTe相變薄膜，將基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位， 打開GeTe靶上的射頻電源，開始濺射GeTe薄膜，即在Si02/Si (100)襯底上制備了 GeTe相 變薄膜，薄膜的厚度控制在lOOnm。對比例2制備厚度為IOOnm的Ge2Sb2I^5相變薄膜，包括以下步驟步驟1 清洗 Si02/Si (100)基片；步驟2采用室溫磁控濺射的方法制備Ge2Sb2I^5相變薄膜前準(zhǔn)備a)安裝好Ge2Sb2I^5合金靶，靶的純度為99. 999 % (質(zhì)量百分比)，本底真空度優(yōu) 于 1 X KT4Pa ；b)射頻功率定為20W ；c)使用純度為99. 999%的Ar氣作為濺射氣體，氣體流量控制在30SCCM，濺射氣壓 為 0. 2Pa0步驟3采用室溫磁控交替濺射方法制備Ge2Sb2I^5相變薄膜，將基片旋轉(zhuǎn)到GhSb2Tii5靶位，打開GhSb2I^5靶上的射頻電源，開始濺射GhSb2I^5薄膜，即在Si02/Si (100) 襯底上制備了 Ge2Sb2I^5相變薄膜，薄膜的厚度控制在lOOnm。將實(shí)施例1、對比例1和對比例2所得的相變薄膜材料進(jìn)行檢測得到圖1-圖5。 圖1為實(shí)施例1中[GeTe (a) A^2Sb2Te5 (5nm)]xm米復(fù)合多層相變薄膜材料和對比例1的 GeTe薄膜、對比例2的Ge2Sb2I^5薄膜的電阻與溫度的關(guān)系曲線。測試過程中的升溫速率 為10°C /min。從圖中看出，在室溫下，所有的薄膜材料都處于高阻態(tài)，隨著加熱溫度的升 高，電阻緩慢下降，達(dá)到結(jié)晶溫度時電阻發(fā)生快速的下降，[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10和 [GeTe (7nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ]8薄膜結(jié)晶溫度分別為188°C和197°C，表明該納米復(fù)合多層相 變薄膜材料的結(jié)晶溫度隨著周期中GeTe薄膜厚度的增加而升高，相應(yīng)材料的非晶態(tài)熱穩(wěn) 定性逐漸增強(qiáng)。而GeTe薄膜的厚度主要依賴于GeTe靶材的濺射時間，因此可以通過調(diào)節(jié) GeTe靶材的濺射時間來調(diào)制納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)晶溫度。從圖1還可以看出， 在相變前后，GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的非晶態(tài)和晶態(tài)電阻變化約5個 數(shù)量級，能夠滿足相變存儲器開關(guān)比性能的要求。圖2為實(shí)施例1中基于[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜材 料的相變存儲器存儲單元的I-V特性曲線，圖3為基于對比例2的Ge2Sb2I^5相變存儲器存 儲單元的I-V特性曲線。從圖2和圖3中可見，基于ReTe (5nm)/Gejb2I^5 (5nm)]1(1納米復(fù) 合多層相變薄膜材料相變存儲器存儲單元的閾值電壓和閾值電流分別為1. 23V和3μ A，此 時，[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜材料從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，這 兩個值都小于同比條件下Ge52Sb2Tii5器件的電壓和電流，分別為3. 43V和5 μ A。圖4為實(shí)施例1中基于ReTe (5nm)/Ge2Sb2I^5(5nm)]1Q納米復(fù)合多層相變薄膜 材料的相變存儲器儲單元在不同脈沖寬度時的R-V特性曲線，圖5為基于對比例2的 Ge2Sb2Te5相變存儲器存儲單元在不同脈沖寬度下的R-V特性曲線。從圖4和圖5中可見， 通過施加電脈沖可以實(shí)現(xiàn)存儲單元高阻態(tài)和低阻態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)變，同時基于[GeTe(5nm)/ Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10納米復(fù)合多層相變薄膜的相變存儲器存儲單元SET和RESET操作電壓都 比Ge52Sb2I^5降低，這主要?dú)w因于WeTe (5nm)/Ge2Sb2I^5 (5nm)]ltl納米復(fù)合多層薄膜較低的 熱導(dǎo)率，使得器件的加熱效率得到提高。圖6為實(shí)施例1中基于[GeTe (5nm)/Ge2Sb2I^5 (5nm)]1Q納米復(fù)合多層相變薄膜材料 的相變存儲器存儲單元的循環(huán)操作疲勞特性。從圖6看出，器件單元顯示出良好的循環(huán)操 作特性(約2X IO5次循環(huán))，高低電阻之間有大于100的比例。這也證明了 GeTeAie2Sb2Ti55 納米復(fù)合多層相變薄膜材料具有良好的熱穩(wěn)定性，保證了器件的可靠操作。實(shí)施例2制備結(jié)構(gòu)分別為[GeTe(15nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] [GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (Inm) ] 17, [GeTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (15nm) ] 6 和[GeiTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 17 的 GeTe/Ge2Sb2Tii5 納米復(fù) 合多層相變薄膜材料，且所述GeTeZGe2Sb2Te55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的總厚度分別為 lOOnm、102nm、96nm 禾口 102nm。具體制備步驟如下1)清洗Si02/Si(100)基片清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)；在 丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；然后在乙醇溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘， 去離子水沖洗，高純隊(duì)吹干表面和背面；在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘；
2)安裝好濺射靶材設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料a) 將基片旋轉(zhuǎn)到Ge52Sb2Te55靶位，打開Ge52Sb2I^靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間分別為 15s、k、7k和15s，開始濺射Gejb2Tii5薄膜；b) Gejb2I^5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Gejb2I^5靶 上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，開始濺射GeTe 薄膜，濺射時間分別設(shè)定為30s、10s、k*2s ；c)重復(fù)a)和b)兩步，即在Si02/Si (100)基片 上制備GeTe/Ge2Sb2Te5*"GeTe/Ge2Sb2Te5/Si02/Si多層薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提 下，通過調(diào)制GeTe靶材和Ge2Sb2I^5靶材的交替濺射時間來控制多層薄膜周期中Ge2Sb2I^5 薄膜的厚度和周期數(shù)，從而形成所需結(jié)構(gòu)的[GeTe (15nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 5、[GeTe (5nm) / Ge2Sb2Te5 (Inm) ] 17、[GeTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (15nm) ] 6 和[GeiTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 17 的納米 復(fù)合多層相變薄膜材料；濺射過程中，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為純度在質(zhì)量 百分比99. 999%以上的GeTe和99. 999%以上的Ge2Sb2I^5，本底真空度不大于IX l(T4Pa， 濺射氣體為體積百分比99. 999 %以上的Ar氣；氣體流量為30SCCM，濺射氣壓為0. 2Pa,濺 射射頻功率為20W。將實(shí)施例2 所得的相變薄膜材料 WeTe (15nm)/Gejb2Tii5 (5nm)]5、[GeTe (5nm)/ Ge2Sb2Te5 (Inm) ] 17、[GeTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (15nm) ]6 禾口 [GeTe (Inm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 17 分另Ij進(jìn) 行檢測可知，所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)晶溫度均隨著周期中GeTe薄膜厚度的 增加而升高，相應(yīng)的材料非晶態(tài)熱穩(wěn)定性也更強(qiáng)；且在相變前后，GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合 多層相變薄膜材料的非晶態(tài)和晶態(tài)電阻變化均約5個數(shù)量級，能夠滿足相變存儲器存儲性 能的要求。本實(shí)施例所得的材料可以通過周期中GeTe層厚度進(jìn)行調(diào)制，均比目前常用的 Ge2Sb2I^5M料有著更高的結(jié)晶溫度，有著更好的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器存儲單元的I-V特性曲 線中均可知，所得材料從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的電壓和電流，都小于同比條件下Ge2Sb2Te5 器件的電壓和電流。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元在不同脈沖寬度 時的R-V特性曲線可知，通過施加電脈沖均可以實(shí)現(xiàn)存儲單元高阻態(tài)和低阻態(tài)間的可逆轉(zhuǎn) 變，同時基于所得納米復(fù)合多層相變薄膜的相變存儲器存儲單元SET和RESET操作電壓都 比Ge2Sb2I^5降低，比Ge2Sb2I^5材料有著更低的功耗，這主要?dú)w因于所得的納米復(fù)合多層薄 膜均具有較低的熱導(dǎo)率，使得器件的加熱效率得到提高。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元保持了良好了循 環(huán)操作疲勞特性，高低電阻之間保持了大于100的比例。實(shí)施例3制備結(jié)構(gòu)為[GeTe(5nm)/Ge2Sb2Tii5 (5nm)]1Q 的 GeTeA^2Sb2Tii5 納米復(fù)合多層相變 薄膜材料，且所述GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。具體制備步驟如下1)清洗Si02/Si(100)基片清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)；在 丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；然后在乙醇溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘， 去離子水沖洗，高純隊(duì)吹干表面和背面；在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘；2)安裝好濺射靶材設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；
采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料a) 將基片旋轉(zhuǎn)到Ge52Sb2I^5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間為10s， 開始濺射Ge2Sb2I^5薄膜；WGe2Sb2I^5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge2Sb2I^5靶上所施加的射頻 電源，將基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，開始濺射GeTe薄膜，濺射時間 分別設(shè)定為重復(fù)a)和b)兩步，即在Si02/Si(100)基片上制備GeIWiGe2Sb2Tiv" GeTe/Ge2Sb2Te5/Si02/Si多層薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，通過調(diào)制GeTe靶材 和Ge2Sb2I^5靶材的交替濺射時間來控制多層薄膜周期中Ge2Sb2I^5薄膜的厚度和周期數(shù)， 從而形成結(jié)構(gòu)為[GeTe (5nm)/Ge2Sb2I^5 (5nm)]1(l的納米復(fù)合多層相變薄膜材料；濺射過程 中，襯底采用Si02/Si(100)基片，濺射靶材為純度在質(zhì)量百分比99. 999%以上的GeTe和 99. 999%以上的Ge2Sb2Tii5，本底真空度不大于IX 10_4Pa，濺射氣體為體積百分比99. 999% 以上的Ar氣；氣體流量為25SCCM，濺射氣壓為0. 25Pa，濺射射頻功率為25W。將實(shí)施例3所得的相變薄膜材料[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10進(jìn)行檢測可知， 所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料比Ge2Sb2I^5材料有更高的結(jié)晶溫度，更好的非晶態(tài)熱穩(wěn)定 性；在相變前后，其非晶態(tài)和晶態(tài)電阻變化約5個數(shù)量級，能夠滿足相變存儲器存儲性能的 要求。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器存儲單元的I-V特性曲 線中均可知，所得材料從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的電壓和電流，都小于同比條件下Ge2Sb2Te5 器件的電壓和電流。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元在不同脈沖寬度 時的R-V特性曲線可知，通過施加電脈沖可以實(shí)現(xiàn)存儲單元高阻態(tài)和地阻態(tài)間的可逆轉(zhuǎn) 變，同時基于所得納米復(fù)合多層相變薄膜的相變存儲器存儲單元SET和RESET操作電壓都 比Ge2Sb2I^5降低，比Ge2Sb2I^5材料有著更低的功耗，這主要?dú)w因于所得的納米復(fù)合多層薄 膜具有較低的熱導(dǎo)率，使得器件的加熱效率得到提高。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元保持了良好了循 環(huán)操作疲勞特性，高低電阻之間保持了大于100的比例。實(shí)施例4制備結(jié)構(gòu)為[GeTe(5nm)/Ge2Sb2Tii5 (5nm)]1Q 的 GeTeA^2Sb2Tii5 納米復(fù)合多層相變 薄膜材料，且所述GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。具體制備步驟如下1)清洗Si02/Si(100)基片清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)；在 丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；然后在乙醇溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘， 去離子水沖洗，高純隊(duì)吹干表面和背面；在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘；2)安裝好濺射靶材設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；采用室溫磁控交替濺射方法制備GeTeziGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料a) 將基片旋轉(zhuǎn)到GhSb2I^5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時間為20s， 開始濺射Ge2Sb2I^5薄膜；WGe2Sb2I^5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge2Sb2I^5靶上所施加的射頻 電源，將基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，開始濺射GeTe薄膜，濺射時間 分別設(shè)定為15s ；c)重復(fù)a)和b)兩步，即在Si02/Si (100)基片上制備GeTe/Ge2Sb2Te5-GeTe/Gejb2Te5/Si02/Si多層薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，通過調(diào)制GeTe靶材和Ge2Sb2I^5靶材的交替濺射時間來控制多層薄膜周期中Ge2Sb2I^5薄膜的厚度和周期數(shù)，從而 形成結(jié)構(gòu)為[GeTe (5nm)/Gejb2I^5 (5nm)]ltl的納米復(fù)合多層相變薄膜材料；濺射過程中，襯 底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為純度在質(zhì)量百分比99. 99%以上的GeI1e和99. 999% 以上的Gejb2I^5，本底真空度不大于IX 10_4pa，濺射氣體為體積百分比99. 999%以上的Ar 氣；氣體流量為35SCCM，濺射氣壓為0. 15Pa，濺射射頻功率為15W。將實(shí)施例4所得的相變薄膜材料[GeTe (5nm) /Ge2Sb2Te5 (5nm) ] 10進(jìn)行檢測可知， 所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料比Ge2Sb2I^5材料有更高的結(jié)晶溫度，更好的非晶態(tài)熱穩(wěn)定 性；在相變前后，其非晶態(tài)和晶態(tài)電阻變化約5個數(shù)量級，能夠滿足相變存儲器存儲性能的 要求。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器存儲單元的I-V特性曲 線中均可知，所得材料從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的電壓和電流，都小于同比條件下Ge2Sb2Te5 器件的電壓和電流。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元在不同脈沖寬度 時的R-V特性曲線可知，通過施加電脈沖可以實(shí)現(xiàn)存儲單元高阻態(tài)和地阻態(tài)間的可逆轉(zhuǎn) 變，同時基于所得納米復(fù)合多層相變薄膜的相變存儲器存儲單元SET和RESET操作電壓都 比Ge2Sb2I^5降低，比Ge2Sb2I^5材料有著更低的功耗，這主要?dú)w因于所得的納米復(fù)合多層薄 膜具有較低的熱導(dǎo)率，使得器件的加熱效率得到提高。經(jīng)檢測，從所得納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲器儲單元保持了良好了循 環(huán)操作疲勞特性，高低電阻之間保持了大于100的比例。
權(quán)利要求
1.一種用于相變存儲器的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其特征在于， 所述GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料中單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2I^5薄膜交 替排列成多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述單層GeTe薄膜的厚度為1 15nm，所述單層Ge2Sb2I^5薄膜的 厚度為1 15nm。
2.如權(quán)利要求書1所述的納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/ Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的結(jié)構(gòu)符合如下通式[GeTe (a) /Ge2Sb2Te5 (b) ]x,式中a、b分別表示所述單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度，1彡a彡15nm, 1彡b彡15nm ；χ表示所述GeTe/Ge2Sb2I^5納米復(fù)合多層相變薄膜材料中所述單層GeTe薄 膜和所述單層Ge2Sb2I^5薄膜的調(diào)制周期數(shù)，且χ為正整數(shù)。
3.如權(quán)利要求書2所述的納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其特征在于，5< χ ^ 17。
4.如權(quán)利要求書2所述的納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/ Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。
5.如權(quán)利要求書2所述的納米復(fù)合多層相變薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/ Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的蓋帽層為GeTe薄膜。
6.如權(quán)利要求書1-5任一所述的GeTeZGe2Sb2I^m米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備方 法，其特征在于，采用磁控交替濺射方法制備所述GeTeZGe2Sb2Te55納米復(fù)合多層相變薄膜材 料，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為GeTe和Ge2Sb2I^5合金靶，濺射氣體為Ar氣。
7.如權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于，所述GeTe靶材的純度在質(zhì)量百分比 99. 999%以上，所述Ge2Sb2Tii5靶材的純度在質(zhì)量百分比99. 999%以上，本底真空度不大于 1 X KT4Pa ；所述Ar氣的純度為體積百分比為99. 999%以上。
8.如權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于，所述GeTe靶材和Ge2Sb2I^5靶材均采 用射頻電源，且濺射射頻功率為15 25W ；所述Ar氣的氣體流量為25 35SCCM，濺射氣壓 為 0. 15 0. 25Pa。
9.如權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于，所述單層GeTe薄膜和單層Ge52Sb2I^ 薄膜的厚度通過濺射時間來調(diào)控。
10.如權(quán)利要求書1-5任一所述的GeTeZGe2Sb2Ti55納米復(fù)合多層相變薄膜材料在微電 子領(lǐng)域中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于相變存儲器的納米復(fù)合多層相變薄膜材料。本發(fā)明GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料中單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2Te5薄膜交替排列成多層薄膜結(jié)構(gòu)，單層GeTe薄膜和單層Ge2Sb2Te5薄膜的厚度均為1~15nm。本發(fā)明薄膜材料結(jié)晶溫度隨周期中單層GeTe薄膜厚度的增加而升高，且基于GeTe/Ge2Sb2Te5納米復(fù)合多層相變薄膜材料的相變存儲單元可通過電脈沖來實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變；所述材料比Ge2Sb2Te5材料有更高的結(jié)晶溫度，更好的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性；更低的器件操作電壓，從而具有更低的功耗。
文檔編號B32B9/00GK102117885SQ20101056
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者孫明成, 汪昌州, 沈波, 翟繼衛(wèi) 申請人:同濟(jì)大學(xué)