本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料，其制備方法，及其在制備相變存儲器中的應用。

背景技術(shù)：

相變存儲器(Phase-Change Random Access Memory，縮寫為PCRAM)具有循環(huán)壽命長(>10¹³次)、元件尺寸小、存儲密度高、讀取速度快、穩(wěn)定性強、耐高低溫(-55℃～125℃)、抗振動以及與現(xiàn)有集成電路工藝相兼容等優(yōu)點，因而受到越來越多研究者和企業(yè)的關(guān)注(D.H.Kang,et al.,Applied Physics Letter,2012,100:063508)。PCRAM利用材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的巨大電阻差異來實現(xiàn)信息存儲。相變材料在非晶態(tài)時具有較高的電阻，在晶態(tài)時具有較低的電阻，兩態(tài)之間的電阻差異可以達到2個數(shù)量級以上。通過電流誘導的焦耳熱，可以實現(xiàn)相變材料在兩個電阻態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)變。PCRAM以其巨大的優(yōu)勢，被國際半導體工業(yè)協(xié)會認為是最有可能取代目前的閃存而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的下一代非易失性存儲器。

相變材料是PCRAM的核心，其性能直接決定PCRAM的各項技術(shù)性能。Ge₂Sb₂Te₅是目前廣泛采用的相變存儲材料，雖然其各方面的性能均衡，沒有太大的缺點，但仍存在很多有待改善和提高的地方(Zhou Xilin,et al.,ActaMaterialia,2013,61(19):7324-7333)。首先，相變存儲器的操作速度主要受限于薄膜的相變過程，而Ge₂Sb₂Te₅的晶化機制以形核為主，使其相變速度較慢，無法滿足未來高速、大數(shù)據(jù)時代的信息存儲要求；其次，Ge₂Sb₂Te₅的熱穩(wěn)定性較差，晶化溫度只有160℃左右，僅能在85℃的環(huán)境溫度下將數(shù)據(jù)保持10年，還不能完全滿足未來高集成度的半導體芯片的要求；最后，Ge₂Sb₂Te₅較高的熔點及較低的晶態(tài)電阻使得PCRAM需要較大的驅(qū)動電流來完成RESET操作，導致其RESET功耗較大。

近年來，類超晶格相變材料受到持續(xù)關(guān)注。首先，與傳統(tǒng)的單層Ge₂Sb₂Te₅相變材料相比，類超晶格結(jié)構(gòu)具有較低的熱導率，可以減少加熱過程中的熱量散失，從而提高加熱效率(Yifeng Hu,et al.,ScriptaMaterialia,2014,93:4-7)；其次，利用類超晶格結(jié)構(gòu)中多層界面的夾持效應可以抑制晶化、減小晶粒尺寸，從而縮短結(jié)晶時間，在提高熱穩(wěn)定性的同時加快相變速度；最后，類超晶格納米相變薄膜在相變前后的密度改變較小，可以保證相變層和電極材料之間的有效良好接觸，從而提高PCRAM器件的可靠性。因而，此類超晶格相變材料是一種非常有開發(fā)潛力的相變材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述情況，本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)相變材料的缺點和不足，提供一種相變速度較快、熱穩(wěn)定性較好且功耗較低的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料及其制備方法和應用。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料，其包括碲化鍺(GeTe)薄膜材料和單質(zhì)鍺(Ge)薄膜材料，二者通過交替疊加形成類超晶格結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料的結(jié)構(gòu)通式為[GeTe(a)/Ge(b)]_x，其中：a表示單層GeTe薄膜材料的厚度，單位為nm，并且1≤a≤50；b表示單層Ge薄膜材料的厚度，單位為nm，并且1≤b≤13；x表示單層GeTe薄膜材料和單層Ge薄膜材料的交替周期數(shù)，并且x為任一正整數(shù)。因此，所述GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料的總厚度為[(a+b)*x]。

在設計相變存儲器時，通常要求相變材料的厚度控制在50～100nm的范圍之內(nèi)，并且在不降低性能的前提下，希望該厚度越小越好，這樣就可以實現(xiàn)更高的存儲密度和更小的器件尺寸。另外，本發(fā)明的SiO₂/Sb類超晶格納米相變薄膜材料的厚度可以通過濺射時間來調(diào)控。

一種GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料的制備方法，其通過磁控濺射法將GeTe薄膜材料和單質(zhì)Ge薄膜材料進行納米量級復合，形成具有類超晶格結(jié)構(gòu)的納米相變薄膜材料。

優(yōu)選的，所述磁控濺射法采用的襯底為SiO₂/Si(100)基片；濺射靶材為GeTe(優(yōu)選原子百分比純度達到99.999％)和Ge(優(yōu)選原子百分比純度達到99.999％)；濺射氣體為高純氬氣(優(yōu)選體積百分比純度達到99.999％)。

優(yōu)選的，所述磁控濺射法的本底真空度不大于1×10^-4Pa；濺射功率為25～35W，優(yōu)選30W；氬氣氣體流量為25～35sccm，優(yōu)選30sccm；濺射氣壓為0.15～0.35Pa，優(yōu)選0.3Pa。

優(yōu)選的，所述磁控濺射法具體包括如下步驟：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片；

2)裝好濺射靶材；設定濺射功率、濺射氬氣流量及濺射氣壓；

3)采用射頻濺射程序制備GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料。

優(yōu)選的，步驟3)中所述射頻濺射程序包括如下步驟：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的SiO₂/Si(100)基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ge薄膜；

e)重復步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料。

利用本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料在非晶態(tài)時的高阻和在晶態(tài)時的低阻可以進行邏輯數(shù)據(jù)“1”和“0”的存儲，因此本發(fā)明的納米相變薄膜材料可用于制備相變存儲器，特別是高速、高穩(wěn)定性、低功耗的相變存儲器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料利用類超晶格結(jié)構(gòu)中多層界面的夾持效應，減小晶粒尺寸，從而縮短結(jié)晶時間、抑制晶化，在提高材料熱穩(wěn)定性的同時，加快了相變速度；

(2)隨著GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜中Ge層相對厚度的增加，相變薄膜的晶化溫度逐漸提高，更高的晶化溫度意味著相變薄膜具有更好的非晶熱穩(wěn)定性；

(3)隨著GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜中Ge層相對厚度的增加，相變薄膜的非晶態(tài)和晶態(tài)的電阻均有所增大，更大的電阻有助于提高加熱過程的效率，從而降低操作功耗；

(4)將本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料制成相變存儲器后，在電流脈沖的激發(fā)誘導下，器件的電阻在高阻和低阻之間不斷轉(zhuǎn)換，電阻差值接近2個數(shù)量級，保證了電阻讀取的有效分辨。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料以及單層GeTe納米相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線。

圖2為由本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料以及傳統(tǒng)的Ge₂Sb₂Te₅薄膜材料制成的相變存儲器的I-V特性曲線。

圖3為由本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料以及傳統(tǒng)的Ge₂Sb₂Te₅薄膜材料制成的相變存儲器的R-V特性曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實施例來進一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案。應當理解的是，這些實施例僅用于說明本發(fā)明，而并不限制本發(fā)明的保護范圍。另外，除非特殊說明，下列實施例中使用的儀器、試劑、材料等均可通過常規(guī)商業(yè)手段獲得。

實施例1：制備[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]₈類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為1nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復8次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有8個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]₈，總厚度約為48nm。

實施例2：制備[GeTe(5nm)/Ge(2nm)]₇類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為2nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復7次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有7個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(2nm)]₇，總厚度約為49nm。

實施例3：制備[GeTe(5nm)/Ge(3nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為3nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復6次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有6個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(3nm)]₆，總厚度約為48nm。

實施例4：制備[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為4nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復6次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有6個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆，總厚度約為54nm。

實施例5：制備[GeTe(5nm)/Ge(5nm)]₅類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為5nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復5次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有5個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(5nm)]₅，總厚度約為50nm。

實施例6：制備[GeTe(5nm)/Ge(8nm)]₄類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為8nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復4次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有4個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]₈，總厚度約為52nm。

實施例7：制備[GeTe(5nm)/Ge(10nm)]₃類超晶格納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備多層復合薄膜前準備：

a)分別裝好GeTe和Ge濺射靶材，靶材的原子百分比純度均達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率為30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.3Pa。

3、采用交替射頻濺射方法制備多層復合薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材表面進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對Ge靶材表面進行濺射，清潔Ge靶材表面；

c)Ge靶材表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為5nm)，開始濺射GeTe薄膜；

d)GeTe薄膜濺射完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將已經(jīng)濺射了GeTe薄膜的基片旋轉(zhuǎn)到Ge靶位，開啟Ge靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm，厚度為10nm)，開始濺射Ge薄膜；

e)將步驟c)和d)中濺射GeTe薄膜和Ge薄膜的操作重復3次，即在SiO₂/Si(100)基片上制備出具有3個交替周期的類超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(10nm)]₃，總厚度約為45nm。

對比例1：制備單層GeTe納米相變薄膜材料。

1、清洗SiO₂/Si(100)基片的表面和背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(zhì)；

a)在丙酮溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗；

b)在乙醇溶液中強超聲清洗3～5分鐘，去離子水沖洗，高純氮氣吹干表面和背面；

c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。

2、制備單層GeTe薄膜前準備：

a)裝好GeTe濺射靶材，靶材的原子百分比純度達到99.999％，并將本底真空度抽至1×10^-4Pa；

b)設定濺射功率30W；

c)使用高純氬氣作為濺射氣體，體積百分比純度達到99.999％，設定氬氣流量為30sccm，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0.2Pa。

3、采用射頻濺射方法制備單層GeTe薄膜：

a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，打開GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如100s)，開始對GeTe靶材進行濺射，清潔GeTe靶材表面；

b)GeTe靶材表面清潔完成后，關(guān)閉GeTe靶上的射頻電源，將代濺射的SiO₂/Si(100)基片旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位，開啟GeTe靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm，厚度為50nm)，開始濺射單層GeTe薄膜。

實驗例1：本發(fā)明的GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料的性能測試。

將實施例1、2、4、6和7中制備的5種GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜材料和對比例1中制備的單層GeTe納米相變薄膜材料進行測試，得到各個相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在低溫條件下，單層和多層復合兩類薄膜均處于高電阻的非晶態(tài)，隨著溫度的不斷升高，薄膜電阻緩慢降低，達到相變溫度時，薄膜開始晶化，相應的電阻開始快速下降，相變過程結(jié)束后，隨著溫度的升高電阻基本保持不變。雖然單層GeTe薄膜在加熱過程中具有一定的電阻轉(zhuǎn)變性能，但是GeTe材料的晶化溫度較低，說明熱穩(wěn)定性較差，無法滿足PCRAM的應用需求。另外，隨著GeTe/Ge類超晶格納米相變薄膜中Ge層相對厚度的增加，相變薄膜的晶化溫度逐漸提高，更高的晶化溫度意味著相變薄膜具有更好的非晶熱穩(wěn)定性。同時，隨著Ge層相對厚度的增加，薄膜的非晶態(tài)和晶態(tài)的電阻均有所增大，更大的電阻有助于提高加熱過程的效率，從而降低操作功耗。

另外，采用類似于對比例1的工藝制備50nm厚的Ge₂Sb₂Te₅(GST)薄膜，將其與上述實施例4中制備的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜分別制成相變存儲器，并測試相應的電流-電壓(I-V)曲線和電阻-電壓(R-V)曲線，其結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，本發(fā)明的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料起初處于高阻狀態(tài)，當電壓增加到1.02V時，薄膜材料的電阻驟減，說明其發(fā)生了相變。由于其SET過程(從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)的過程稱為SET過程，而從低阻態(tài)轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)的過程稱為RESET過程)的閾值轉(zhuǎn)換電壓(1.02V)遠遠低于傳統(tǒng)的Ge₂Sb₂Te₅薄膜材料SET過程的閾值轉(zhuǎn)換電壓(4.18V)，因此本發(fā)明的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料具有更低的SET功耗。

由圖3可知，在10ns寬的電壓脈沖作用下，[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆器件實現(xiàn)了SET和RESET可逆操作。由于PCRAM中RESET過程的轉(zhuǎn)換電流較大，因此評價PCRAM功耗的主要是RESET電流大小。圖3中顯示了基于[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆薄膜的PCRAM的RESET電壓為2.35V，比相同電壓脈沖下基于Ge₂Sb₂Te₅薄膜的PCRAM的RESET電壓(3.62V)要低，表明本發(fā)明的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料具有較低的功耗。

另外，將本發(fā)明的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]₆類超晶格納米相變薄膜材料制成相變存儲器后，在電流脈沖的激發(fā)誘導下，器件的電阻在高阻和低阻之間不斷轉(zhuǎn)換，電阻差值接近2個數(shù)量級，保證了電阻讀取的有效分辨。