用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相變存儲(chǔ)材料，具體涉及一種用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲(chǔ)器(PCRAM)是一種新型非易失性存儲(chǔ)器，它基于硫族化合物材料的晶態(tài)與非晶態(tài)兩相的轉(zhuǎn)換來存儲(chǔ)信息。當(dāng)相變材料處于非晶態(tài)時(shí)具有高電阻，晶態(tài)時(shí)具有低電阻，利用電脈沖產(chǎn)生的焦耳熱實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)與低阻態(tài)之間的重復(fù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到信息存儲(chǔ)的目的。相變存儲(chǔ)器具有功耗低、讀取速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、存儲(chǔ)密度高、與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，因而受到越來越多的研究者的關(guān)注(Kun Ren等，Applied Physics Letter, 104(173102), 2014)。
[0003]目前研究和使用較多的相變材料是Ge-Sb-Te三元合金，特別是Ge2Sb2Te5,該材料是利用可逆相變前后電阻的差異實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。雖然Ge2Sb2Te5在熱穩(wěn)定性、讀寫速度上有著比較突出的性能，但是也存在嚴(yán)重的問題:材料的結(jié)晶溫度較低，約為165°C左右；雖然基于Ge2Sb2Te5的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)能夠在110°C下保持10年，但是存儲(chǔ)器在高溫時(shí)面臨著數(shù)據(jù)丟失的危險(xiǎn)。另外，材料中的碲元素低熔點(diǎn)低蒸汽壓，容易在高溫制備過程中產(chǎn)生揮發(fā)，對(duì)人體和環(huán)境有著負(fù)面的影響。若能將Ge-Sb-Te三元合金中的Te去除變成二元合金，同時(shí)不影響甚至提高相變材料的性能，是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種穩(wěn)定性高、同時(shí)操作功耗低的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料及其制備方法。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料，化學(xué)組成通式為(GeltlSb9tl) ，其中x=0.50?0.90。
[0006]作為優(yōu)選的，x=0.55 ?0.80。進(jìn)一步優(yōu)選的，χ=0.80，0.68, 0.63,0.60, 0.55。
[0007]上述用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的制備方法，包括以下步驟: ①基片的準(zhǔn)備，將基片洗凈烘干待用。
[0008]②磁控濺射的準(zhǔn)備，在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中，將步驟①洗凈的待濺射的基片放置在基托上，將661(^139(|合金靶材安裝在磁控射頻濺射靶中，并將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空。
[0009]③(GeltlSb9tl)xNh納米薄膜材料的制備，向?yàn)R射腔室通入高純氬氣和高純氮?dú)庾鳛闉R射氣體，高純氬氣和高純氮?dú)獾目偭髁繛?0sCCm，濺射氣壓為0.15Pa?0.35Pa ;首先清潔GeltlSb9tl靶材表面，待Ge 1(lSb9(l靶材表面清潔完畢后，關(guān)閉Ge 1(lSb9(l靶上所施加的射頻電源，將待濺射的Si02/Si (100)基片旋轉(zhuǎn)到GeltlSb9tl祀位，然后開啟Ge 1(lSb9(l祀位射頻電源，開始派射得到(GeltlSb9tl)九^納米薄膜材料。
[0010]上述步驟②將靶材安裝在磁控射頻濺射靶中后，將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空直至腔室內(nèi)真空度達(dá)到1X10—4 Pa。
[0011]上述步驟③中高純氮?dú)獾牧髁繛镮sccm?9sccm。
[0012]作為優(yōu)選的，高純氮?dú)獾牧髁繛閘sccm，制得的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)式為(GeltlSb9tl) α8(ιΝα2(ι;或者高純氮?dú)獾牧髁繛?SCCm，制得的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)式為(GeltlSb9tl) α68Να32;或者高純氮?dú)獾牧髁繛?sccm,制得的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)式為(GeltlSb9tl) 0.63N0.37；或者高純氮?dú)獾牧髁繛?Sccm，制得的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)式為(GeltlSb9tl) α6(ιΝα4(ι;或者高純氮?dú)獾牧髁繛?SCCm，制得的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)式為(GeltlSb9tl) ο.S5N045ο
[0013]進(jìn)一步的，步驟③制備(GeltlSb9tl) xNh納米薄膜材料時(shí)，射頻電源的濺射功率設(shè)定為25W?35W。開啟GeltlSb9tl祀位射頻電源，開始濺射得到(Ge 1(^9(Ι)Λ-Χ納米薄膜材料時(shí)，濺射速率為2 s /nm,即薄膜每增加Inm的厚度需要濺射2s。
[0014]本發(fā)明具有積極的效果:
(I)與傳統(tǒng)的Ge2Sb2TejB變薄膜材料相比，本發(fā)明的GeSb基摻氮納米薄膜材料具有較快的晶化速度，能夠大大提高PCRAM的存儲(chǔ)速度；另外GeSb基摻氮納米薄膜材料具有較高的晶化溫度和激活能，從而能夠極大的改善PCRAM的穩(wěn)定性。
[0015](2)本發(fā)明的GeSb基慘氣納米薄I旲材料具有更聞的非晶態(tài)和晶態(tài)電阻，可以有效降低PCRAM操作功耗。
[0016](3)本發(fā)明的制備方法通過控制磁控濺射時(shí)通入的氮?dú)饬髁縼砜刂艷eSb基摻氮納米薄膜材料中氮元素的含量，氮元素的含量能夠得到精確的控制。
【附圖說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1制得的GeSb基摻氮納米薄膜材料的EDS能譜圖；
圖2為各實(shí)施例的納米相變薄膜材料和對(duì)比例I的GeltlSb9tl相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線，圖1中橫坐標(biāo)的Temperature為溫度,縱坐標(biāo)的Resistance為電阻；圖3為各實(shí)施例的納米相變薄膜材料和對(duì)比例I的GeltlSb9tl相變薄膜材料的失效時(shí)間與溫度倒數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，圖2中縱坐標(biāo)的Failure-time為失效時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0018](實(shí)施例1)
本實(shí)施例的用于相變存儲(chǔ)器的GeSb基摻氮納米薄膜材料的化學(xué)組成通式為(GeltlSb9tl)Λ-χ，其中χ=0.50?0.90 (本實(shí)施例中χ=0.80)。
[0019]GeSb基摻氮納米薄膜材料采用磁控濺射法制得；制備時(shí)通入高純氮?dú)夂透呒儦鍤?，氮?dú)夂蜌鍤獾臍怏w總流量為30sccm，濺射氣壓為0.15 Pa?0.35Pa，具體制備方法包括以下步驟:
①基片的準(zhǔn)備。選取尺寸為5mmX5mm的Si02/Si (100)基片，先在超聲清洗機(jī)中將基片在丙酮(純度為99%以上)中超聲清洗3?5分鐘，洗畢取出用去離子水沖洗；接著在超聲清洗機(jī)中將基片在乙醇(純度在99%以上)中超聲清洗3?5分鐘，洗畢取出用去離子水沖洗，沖洗干凈后用高純隊(duì)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，其中烘箱溫度設(shè)置為120°C，烘干時(shí)間20分鐘。
[0020]②磁控濺射的準(zhǔn)備。
[0021]在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(JGP-450型)中，將步驟①準(zhǔn)備的待濺射的Si02/Si (100)基片放置在基托上，將GeltlSb9tl合金(原子百分比99.999%)作為靶材安裝在磁控射頻(RF)濺射靶中，并將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空直至腔室內(nèi)真空度達(dá)到I X 1-4 Pa。
[0022]③(Ge10Sb90) xNh納米薄膜材料的制備。
[0023]向?yàn)R射腔室通入高純氬氣和高純氮?dú)庾鳛闉R射氣體，高純氬氣中氬氣體積百分比達(dá)到99.999% ;高純氮?dú)庵械獨(dú)怏w積百分比達(dá)到99.999%。設(shè)定Ar氣流量為29sccm，隊(duì)流量為Isccm(將所得到的薄膜記為GSN1)，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.15Pa?0.35Pa (本實(shí)施例中為0.3Pa);設(shè)定射頻電源的濺射功率為25W?35W (本實(shí)施例中為30W)。
[0024]將空基托旋轉(zhuǎn)到GeltlSb9tl靶位，打開Ge 1(lSb9(l祀上所施加的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間100s，開始對(duì)GeltlSb9tl靶材進(jìn)行濺射以清潔Ge 1(lSb9(l靶材表面。
[0025]待GeltlSb9tl靶材表面清潔完畢后，關(guān)閉Ge 1(lSb9(l祀上所施加的射頻電源，將待濺射的Si02/Si (100)基片旋轉(zhuǎn)到GeltlSb9tl祀位，然后開啟Ge 1(lSb9(l靶位射頻電源，開始濺射得到(GeltlSb9tl)xNh納米薄膜材料，濺射速率為2 s /nm (即薄膜每增加Inm的厚度需要濺射2s)，濺射時(shí)間為10s0
[0026]本實(shí)施例濺射獲得的(GeltlSb9tl) xNh納米薄膜材料的厚度為50nm。薄膜材料的厚度由濺射時(shí)間控制，濺射時(shí)間越長(zhǎng)，薄膜