一種用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的材料，尤其涉及一種用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，相變存儲(chǔ)器(PCRAM)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，是目前存儲(chǔ)器研究的一個(gè)熱點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望成為下一代主流的存儲(chǔ)器。相變存儲(chǔ)器的原理是利用存儲(chǔ)介質(zhì)在電脈沖的作用下產(chǎn)生的焦耳熱使存儲(chǔ)介質(zhì)在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間相互轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的寫入和擦除，信息的讀出是通過(guò)測(cè)量存儲(chǔ)器的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PCRAM具備存儲(chǔ)密度高、功耗低、讀取速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。此外，PCRAM存儲(chǔ)技術(shù)具有抗強(qiáng)震動(dòng)、抗輻射性能，在航天航空領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用前景。
[0003]Ge2Sb2Te5(GST)是目前研究最多的相變存儲(chǔ)材料，具有較好的綜合性能。但是GST在相變時(shí)有較大的密度變化(在晶化和相轉(zhuǎn)變后分別增加了 6.8%和8.8%)，影響到了器件的可靠性；由于GST的結(jié)晶溫度較低(約168°C )，以傳統(tǒng)GST材料為存儲(chǔ)介質(zhì)的PCRAM存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)只能夠在88.9°C下保存10年，在高溫下的數(shù)據(jù)保存壽命短；另外，隨著工藝尺寸的縮小，集成密度的提高，器件單元之間熱串?dāng)_問(wèn)題也隨之加劇。只具有高低兩個(gè)電阻態(tài)的GST材料具有很大的提高空間。GaSb的結(jié)晶溫度較高，約為270°C，Sb4Te具有較快的晶化速度，但是結(jié)晶溫度較低，約為140°C，因此可以采用兩種相變材料進(jìn)行多層復(fù)合，提高在高溫下的數(shù)據(jù)保持力，同時(shí)，利用不同材料的晶化溫度不同，實(shí)現(xiàn)多級(jí)相變，從而提高存儲(chǔ)密度。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有公開任何關(guān)于將GaSb與Sb4Te結(jié)合用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料及其制備方法的相關(guān)研究報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，且具有較高數(shù)據(jù)保持力溫度的用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料及其制備方法
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料，所述的多層納米復(fù)合薄膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為[GaSb/Sb4Te]x，其中單層GaSb薄膜的厚度為4nm，單層Sb4Te薄膜的厚度為6nm ；x表示單層GaSb和單層Sb4Te薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，取值為1-15之間的任一整數(shù)。
[0005]所述的多層納米復(fù)合薄膜材料由GaSb合金革E和Sb4Te合金革E在磁控派射鍍膜系統(tǒng)中通過(guò)雙靶交替濺射獲得，其單層GaSb和單層Sb4Te薄膜交替排列成多層膜結(jié)構(gòu)，x=12。
[0006]—種用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料的制備方法，具體步驟如下:
在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中，采用清洗過(guò)的石英片或氧化硅片襯底，將GaSb合金靶材安裝在磁控射頻濺射靶中，將Sb4Te合金靶材安裝在直流濺射靶中，將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空直至室內(nèi)真空度達(dá)到2.0X10 4Pa，然后對(duì)GaSb合金靶和Sb4Te合金靶分別進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，控制GaSb合金靶的濺射功率為20W，Sb4Te合金靶的濺射功率為15W，在室溫交替濺射GaSb薄膜和Sb4Te薄膜，直至濺射總厚度為120nm，即得到GaSb/Sb4Te多層納米復(fù)合薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為[GaSb/Sb4Te]x，其中單層GaSb薄膜的厚度為4nm，單層Sb4Te薄膜的厚度為6nm ;x表示單層GaSb和單層Sb4Te薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，取值為1-15之間的任一整數(shù)。
[0007]所述的襯底為Si02/Si (100)基片，所述的濺射靶材為GaSb和Sb4Te，所述的濺射氣體為高純氬氣。
[0008]所述的GaSb和Sb4Te靶材的純度均在原子百分比99.999%以上，本底真空度不大于 2X10 4 Pa。
[0009]所述的GaSb合金革E的派射速率為2.lnm/min，所述的Sb4Te合金革E的派射速率為3.8nm/min。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明首次公開了用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料及其制備方法，該GaSb/Sb4Te多層納米復(fù)合薄膜材料具有高、中、低三個(gè)電阻態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，極大提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度；GaSb/Sb4Te多層納米復(fù)合薄膜材料具有較高的十年數(shù)據(jù)保持力溫度，可以提高存儲(chǔ)器熱穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te以及單層相變薄膜GaSb和Sb4Te的電阻隨加熱溫度的變化曲線；
圖2為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te以及單層相變薄膜Ge2Sb2Ted^激活能和數(shù)據(jù)保持力計(jì)算結(jié)果圖；
圖3為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te的X射線反射圖；
圖4為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te的X射線反射圖的擬合曲線；
圖5為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te相變存儲(chǔ)器的I_V特性曲線；
圖6為本發(fā)明的多層納米復(fù)合薄膜GaSb/Sb4Te相變存儲(chǔ)器的R_V特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0013]一、具體實(shí)施例實(shí)施例1
一種用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料，該多層納米復(fù)合薄膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為[GaSb/Sb4Te]x，式中單層GaSb薄膜的厚度為4nm，單層Sb4Te薄膜的厚度為6nm ；x表示單層GaSb和單層Sb4Te薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，x可以取1_15之間的任一整數(shù)。
[0014]實(shí)施例2
上述實(shí)施例1用于高密度相變存儲(chǔ)器的多層納米復(fù)合薄膜材料的制備方法步驟如下:在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中，采用清洗過(guò)的石英片或氧化硅片襯底，將GaSb合金靶材安裝在磁控射頻濺射靶中，將Sb4Te合金靶材安裝在直流濺射靶中，將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空直至室內(nèi)真空度達(dá)到2.0X10 4Pa，然后對(duì)GaSb合金靶和Sb4Te合金靶分別進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，控制GaSb合金靶的濺射功率為20W，Sb4Te合金靶的濺射功率為15W，在室溫交替濺射GaSb薄膜和Sb4Te薄膜，直至濺射總厚度為120nm，即得到GaSb/Sb4Te多層納米復(fù)合薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為[GaSb/Sb4Te]x，式中單層GaSb薄膜的厚度為4nm，單層Sb4Te薄膜的厚度為6nm ;x表示單層GaSb和單層Sb4Te薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，x=12，X也可以取1-15之間的其他任一整數(shù)。
[0015]上述襯底為Si02/Si (100)基片，濺射靶材為GaSb和Sb4Te，濺射氣體為高純氬氣；GaSb和Sb4Te靶材的純度均在原子百分比99.999%以上，本底真空度不大于2X10 4 Pa ；GaSb合金革E的派射速率為2.lnm/min, Sb4Te合金革E的派射速率為3.8nm/min。
[0016]實(shí)施例3
上述具體實(shí)施例2中多層納米復(fù)合薄膜材料的制備方法具體步驟如下:
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(wú)機(jī)雜質(zhì)
a)在丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；
b)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；
c)在80°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘；
2、采用磁控濺射方法制備GaSb/Sb4Te多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)備
a)裝好GaSb和Sb4Te濺射靶材，靶材的純度均達(dá)到99.999% (原子百分比)，并將本底真空抽至2.0X10 4 Pa ；
b)設(shè)定射頻靶濺射功率20W，直流靶濺射功率15W;
c)使用高純Ar作為派射氣體(體積百分比達(dá)到99.999%)，設(shè)定Ar氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.2Pa ;
3、采用磁控交替濺射方法制備GaSb/Sb4Te多層復(fù)合薄