用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域的相變薄膜材料，具體涉及一種用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲器(PCRAM)是利用材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的巨大電阻差異實現(xiàn)信息存儲的新型非揮發(fā)性存儲器。當(dāng)相變材料在非晶態(tài)時具有較高電阻，在晶態(tài)時具有較低電阻，兩態(tài)之間的電阻差異達到2個數(shù)量級以上。通過電流誘導(dǎo)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具有穩(wěn)定性強、功耗低、存儲密度高、與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容等優(yōu)點，因而受到越來越多研宄者和企業(yè)的關(guān)注(Kun Ren等，Applied Physics Letter,2014,104 (17):173102)o PCRAM以其巨大的優(yōu)勢，被認為是最具潛力的下一代非易失性存儲器之一。
[0003]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。66231321^5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，但是存在很多有待改善和提高的地方(Zhou Xilin 等，Acta Materialia, 2013,61 (19):7324_7333)。比如，Ge2Sb2Te5薄膜以形核為主的晶化機制使得其相變速度較慢，無法滿足未來高速、大數(shù)據(jù)時代的信息存儲要求；其次，66231321'65薄膜的熱穩(wěn)定性較差，晶化溫度只有160°C左右，僅能在85°C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(dǎo)體芯片的要求。
[0004]作為技術(shù)改進，中國專利文獻CN 102347446 B (申請?zhí)?01110331342.8)公開了一種用于相變存儲器的Ge-Sb-Te富Ge摻N相變材料及其制備方法，所述Ge-Sb-Te富Ge摻N相變材料的成分主要為氮化鍺和(GeTe) a (Sb2Te3) b復(fù)合的相變材料。該相變材料制備時采用磁控濺射法，在硅襯底或熱氧化后的硅襯底上，采用Ge和(GeTe)a (Sb2Te3)b合金靶兩靶共濺射且濺射過程中通氮氣獲得所述相變材料；或者在硅襯底或熱氧化后的硅襯底上，采用Ge、Sb和Te三靶共濺射且濺射過程中通氮氣獲得所述相變材料；或者在硅襯底或熱氧化后的硅襯底上，采用(GeTe)a (Sb2Te3)b合金和氮化鍺合金靶兩靶共濺射獲得所述相變材料。但是該專利文獻所公開的相變材料在提高Ge2Sb2Te5熱穩(wěn)定性的同時必然會減緩材料的晶化速度，從而使Ge2Sb2Te5本來就不快的相變速度進一步降低，這對于存儲器的應(yīng)用是非常不利的。
[0005]類超晶格相變材料近年來受到持續(xù)關(guān)注，與傳統(tǒng)的單層Ge2Sb2Tejg變材料相比，類超晶格結(jié)構(gòu)具有較低的熱導(dǎo)率，，可以減少加熱過程中的熱量散失，降低薄膜的整體熱導(dǎo)率，從而提高相變速度。
[0006]例如，中國專利文獻CN100470869 (申請?zhí)?28169379)公開了一種用于相變存儲器的多層材料及方法，該材料用絕緣材料原硅酸四乙酯將相變材料Ge2Sb2Te5*割開，形成至少兩個相變層的相變材料，相比單層相變材料能夠減小編程體積，同時提供充分的熱絕緣。該方法制備的相變材料具有較低的功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料及其制備方法。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明第一目的的技術(shù)方案是一種用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料，其特征在于:GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料為多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，由GeTe層和Sb層交替沉積復(fù)合而成，將一層GeTe層和一層Sb層作為一個交替周期，后一個交替周期的GeTe層沉積在前一個交替周期的Sb層上方。
[0009]所述Ge Te/Sb類超晶格相變薄膜材料的膜結(jié)構(gòu)用通式[GeTe (a) /Sb (b) ]x表示，其中a為單層GeTe層的厚度，Inm ^ a ^ 50nm ；b為單層Sb層的厚度，Inm ^ b ^ 50nm ；x為GeTe層和Sb層的交替周期數(shù)，x為正整數(shù)。
[0010]上述GeTe層中含有Ge和Te兩種元素，Ge和Te的原子比為1:1。
[0011]作為可選的，6nm< (a+b) *x < 80nm。
[0012]進一步可選的，40nm(a+b) *χ 80nm。
[0013]實現(xiàn)本發(fā)明第二目的的技術(shù)方案是如上所述的用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料的制備方法，包括以下步驟:
①基片的準備，將基片洗凈烘干待用。
[0014]②磁控濺射的準備，將步驟①洗凈的待濺射的基片放置在基托上，將GeTe合金和Sb作為濺射靶材分別安裝在磁控射頻濺射靶中，并將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進行抽真空，使用高純氬氣作為濺射氣體。
[0015]③磁控派射制備[GeTe (a)/Sb (b) ]x多層復(fù)合薄膜: a、首先清潔GeTe合金勒!材和Sb勒材表面。
[0016]b、靶材表面清潔完畢后，將待濺射的Si02/Si (100)基片旋轉(zhuǎn)到GeTe合金靶位，打開GeTe合金革E位上的射頻電源，開始派射GeTe層，GeTe層派射完成后，關(guān)閉GeTe合金靶位上施加的射頻電源。
[0017]C、將已經(jīng)濺射了 GeTe層的基片旋轉(zhuǎn)到Sb靶位，開啟Sb靶位上的射頻電源，濺射結(jié)束后得到Sb層。
[0018]d、重復(fù)上述步驟b和C，重復(fù)次數(shù)為x-Ι次，濺射結(jié)束得到用于高速相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料。
[0019]上述步驟②中高純氬氣的體積百分比彡99.999%，Ar氣流量為25?35SCCM，氬氣濺射氣壓為0.15Pa?0.35Pa。
[0020]上述步驟③b中，GeTe層的派射速率為1.44s/nm ;步驟③c中Sb層派射速率為3 ?6s/nm0
[0021]本發(fā)明具有積極的效果:(I)本發(fā)明的GeTe/Sb類超晶格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(yīng)，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)定性的同時加快相變速度；并且晶粒尺寸的減小說明相變薄膜材料在相變過程中的體積改變較小，可以保證相變層和電極材料的有效良好接觸，從而提高PCRAM器件的可靠性；另一方面GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料的類超晶格結(jié)構(gòu)的特殊性可以阻礙加熱過程中的聲子傳遞，從而減少熱量散失，降低薄膜的整體熱導(dǎo)率，提高加熱效率、降低功耗。
[0022](2)經(jīng)試驗證實，本發(fā)明的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料反射率發(fā)生突變的時間約為5.3ns，而單層Ge2Sb2Te5傳統(tǒng)相變薄膜材料反射率發(fā)生突變的時間約為39ns ;說明與傳統(tǒng)單層Ge2Sb2TeJg變薄膜材料相比，本發(fā)明的相變薄膜材料具有更快的相變速度，從而使得用其制備的相變存儲器具有更快的操作速度，有利于提高PCRAM信息讀寫的速度。
[0023](3)本發(fā)明的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料通過磁控濺射交替沉積GeTe層和Sb層，即相變材料中各層的順序依次是GeTe層-Sb層-GeTe層-Sb層…，各層的厚度在納米級。
[0024](4)本發(fā)明的薄膜材料制備時，通過控制濺射時間和濺射速率來控制各GeTe層和Sb層的厚度，各層的厚度控制精確；例如設(shè)定濺射速率后，在總厚度固定的前提下，對于某一確定周期數(shù)的薄膜，通過控制GeTe和Sb革E材的派射時間來調(diào)節(jié)薄膜周期中GeTe和Sb單層薄膜的厚度，從而形成所需結(jié)構(gòu)的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例1至實施例5的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料和對比例I的相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)的Temperature為溫度，縱坐標(biāo)的Resistance為電阻；
圖2為實施例3的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料和傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5薄膜材料在納秒激光脈沖照射下反射率強度隨時間的變化關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)time為時間，縱坐標(biāo)reflectivity intensity 為反射率強度。
【具體實施方式】
[0026](實施例1)
本實施例的用于高相變存儲器的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料為多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，厚度為6?80nm ；由GeTe層和Sb層交替沉積復(fù)合而成，即在薄膜中，按照GeTe層-Sb層-GeTe層-Sb層…的順序重復(fù)交替排列。
[0027]將一層GeTe層和一層Sb層作為一個交替周期，后一個交替周期的GeTe層沉積在前一個交替周期的Sb層上方。GeTe層中含有Ge和Te兩種元素，Ge和Te的原子比為I: 10
[0028]上述Ge Te/Sb類超晶格相變薄膜材料的膜結(jié)構(gòu)用通式[GeTe (a) /Sb (b) ]x表示，其中a為單層GeTe層的厚度，lnm ^ a ^ 50nm ；b為單層Sb層的厚度，lnm ^ b ^ 50nm ；x為GeTe層和Sb層的交替周期數(shù)，或者說一層GeTe層和一層Sb層為一組，薄膜材料由x組單層的GeTe層和Sb層組成；x為正整數(shù)，6nm (a+b) *χ 80nm。
[0029]本實施例的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料的膜結(jié)構(gòu)為[GeTe (5nm) /Sb (3nm) ] 6，即每一層GeTe層的厚度為5nm，每一層Sb層的厚度為3nm，GeTe層和Sb層的交替周期數(shù)為6，GeSb類超晶格相變薄膜材料的厚度為48nm。
[0030]本實施例的GeTe/Sb類超晶格相變薄膜材料采用磁控濺射法制得；具體制備方法包括以下步驟:
①基片的準備。選取尺寸為5mmX5mm的Si02/Si (100)基片，先在超聲清洗機中將基片在丙酮(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N2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，烘干時間20分鐘。
[0031]②磁控濺射的準備。
[0032]在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(JGP-450型)中，將步驟①準