一種多層納米復(fù)合相變薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層納米復(fù)合相變薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲(chǔ)器(PCRAM)是一種具有較大應(yīng)用前景的非易失性信息存儲(chǔ)器。PCRAM的主體部分是以硫系化合物為基礎(chǔ)的相變材料，利用電脈沖的熱效應(yīng)使相變材料在非晶態(tài)(高電阻)和晶態(tài)(低電阻)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，在影響PCRAM各項(xiàng)性能的因素中，相變材料是具有決定性因素的一方面，目前相變材料的研究主要集中在Ge-Sb-Te體系，其中Ge2Sb2Te5組分得到的關(guān)注最多，然而此材料存在著一些缺陷，如較低的晶化溫度(約160°C)使得非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性不好，較高的熔點(diǎn)(約620°C)使得從晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變所需的能量較高，不利于存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步提高，無法滿足未來高速、大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息存儲(chǔ)要求。
[0004]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提供一種全新的制備工藝簡單、熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性好、相變速度較快的多層納米復(fù)合相變薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種多層納米復(fù)合相變薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用。該相變薄膜材料利用Sb作為結(jié)晶誘導(dǎo)層，利用其生長為主的晶化機(jī)制，可以加快相變材料的相變速度，同時(shí)結(jié)合了Sn2Se3作為一種相變存儲(chǔ)材料，具有熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。再次，利用多層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中多層界面的夾持效應(yīng)，可以減小晶粒尺寸，從而縮短結(jié)晶時(shí)間，抑制晶化，在提尚熱穩(wěn)定性的同時(shí)加快相變速度。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的之一提供一種多層納米復(fù)合相變薄膜材料，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]一種多層納米復(fù)合相變薄膜材料，該材料由單層Sn2Se3薄膜和單層Sb薄膜交替排列，將一層Sn2Se3薄膜和一層Sb薄膜作為一個(gè)交替周期，后一個(gè)交替周期的Sn2Se3層沉積在前一個(gè)交替周期的Sb層的上方；
[0008]該薄膜材料的膜結(jié)構(gòu)通式為[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x，其中a、b分別表示所述單層Sn2Se3薄膜、單層Sb薄膜的厚度，Inm < a < 50nm，Inm < b < 50nm，x表示單層Sn2Se3和單層Sb薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，且X為正整數(shù)。
[0009]優(yōu)選的，所述Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜總厚度(a+b)*x為45?58nm。
[0010]進(jìn)一步的，所述Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜總厚度(a+b)*x為48nm。
[0011]進(jìn)一步的，所述單層Sn2Se3薄膜的厚度a為5nm，單層Sb薄膜的厚度b為I?7nm。
[0012]本發(fā)明的目的之二是提供了一種上述多層納米復(fù)合相變薄膜材料的制備方法，包括如下步驟:
[0013]S1、清洗 Si02/Si(100)基片；
[0014]S2、采用Si02/Si(100)基片作為襯底，將Sn2Se3和Sb作為濺射靶材，將高純Ar氣作為濺射氣體；
[0015]S3、采用室溫磁控濺射方法制備Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜材料；
[0016]其中，步驟S3包括如下工序:
[0017]S30、將空基托旋轉(zhuǎn)到Sn2Se3勒位，打開Sn2Se3勒上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始對(duì)Sn2Se3勒材表面進(jìn)行派射，清潔Sn2Se3勒位表面；
[0018]S31、Sn2Se3靶位表面清潔完成后，關(guān)閉Sn2Se3靶位上所施加的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Sb靶位，開啟Sb靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始對(duì)Sb靶材表面進(jìn)行濺射，清潔Sb靶位表面；
[0019]S32、Sb靶位表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到Sn2Se3靶位，打開Sn2Se3靶位上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Sn2Se3薄膜；
[0020]S33、Sn2Se3薄膜濺射完成后，關(guān)閉Sn2Se3靶上所施加的直流電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Sb靶位，開啟Sb靶位射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Sb薄膜；
[0021]S34、交替重復(fù)S32和S33兩步，直至在Si02/Si(100)基片上制備出所需厚度的Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜材料。
[0022]進(jìn)一步的，所述Sn2Se3和Sb靶材的純度在原子百分比99.999%以上，本底真空度不大于I X 10—4Pa;所述Sn2Se3靶材和Sb靶材均采用射頻電源，且濺射功率為25?35W，Sn2Se3靶材的濺射速率為2?3s/nm，Sb靶材的濺射速率為3?5s/nm0
[0023]進(jìn)一步的，所述濺射功率為30W，Sn2Se3靶材的濺射速率為2.44s/nm，Sb靶材的濺射速率為4s/nm。
[0024]進(jìn)一步的，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。
[0025]進(jìn)一步的，所述氣體流量為30SCCM，濺射氣壓為0.3Pa。
[0026]上述Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜材料應(yīng)用在高速相變存儲(chǔ)器中。
[0027]本發(fā)明的有益效果在于:
[0028]1)、本發(fā)明Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜材料利用多層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊性，可以阻礙加熱過程中的聲子傳遞，從而減少加熱過程中的熱量散失，降低薄膜的整體熱導(dǎo)率，提高加熱效率、降低功耗;同時(shí)，利用多層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中多層界面的夾持效應(yīng)，可以減小晶粒尺寸，從而縮短結(jié)晶時(shí)間，抑制晶化，在提高熱穩(wěn)定性的同時(shí)加快了相變速度，最終使相變存儲(chǔ)器具有更快的操作速度以及更低的操作功耗。
[0029]2)、本發(fā)明薄膜材料結(jié)合了Sn2Se3作為一種相變存儲(chǔ)材料，具有熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性好、Sb具有較快晶化速度的優(yōu)點(diǎn)，在納米層次進(jìn)行多層復(fù)合，構(gòu)造多層納米復(fù)合相變存儲(chǔ)材料。利用兩種材料的優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同作用，達(dá)到優(yōu)異的綜合相變性能。
[0030]3)、本發(fā)明隨著[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x多層納米復(fù)合相變薄膜中Sb層相對(duì)厚度的增加，相變薄膜的晶化溫度降低，更低的晶化溫度意味著更小的激活勢皇，可以減小相變過程中的功率消耗。
[0031 ] 4)、本發(fā)明中[Sn2Se3(5nm)/Sb(3nm) ]6、[Sn2Se3(5nm)/Sb(4nm) ]6、[Sn2Se3(5nm)/Sb(5nm) ]5多層納米復(fù)合相變薄膜反射率發(fā)生突變的時(shí)間分別為3.1ns、2.9ns和2.8ns，而單層Ge2Sb2Te5傳統(tǒng)相變薄膜材料反射率發(fā)生突變的時(shí)間約為39ns。與傳統(tǒng)單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料相比，本發(fā)明的[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x#層納米復(fù)合相變薄膜材料具有更快的相變速度，從而使相變存儲(chǔ)器具有更快的操作速度，有利于提高PCRAM信息讀寫的速度。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明不同厚度的[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x多層納米復(fù)合相變薄膜材料和單層Sn2Se3相變薄膜材料的原位電阻與溫度關(guān)系曲線對(duì)照?qǐng)D。
[0033]圖2a、2b分別為本發(fā)明的[Sn2Se3(5nm)/Sb(3nm)]6多層納米復(fù)合相變薄膜材料在沉積態(tài)、在300 °C等溫溫度下退火30分鐘后的截面TEM圖。
[0034]圖3為本發(fā)明[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x多層納米復(fù)合相變薄膜材料及傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5薄膜材料在納秒激光脈沖照射下反射率強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036]實(shí)施例1?6
[0037]實(shí)施例1?6分別按Sn2Se3/Sb多層納米復(fù)合相變薄膜的結(jié)構(gòu)通式[Sn2Se3(a)/Sb(b) ]\對(duì)應(yīng)制備[5]12363(511111)/313(111111) ]8、[Sn2Se3(5nm)/Sb(3nm) ]6、[Sn2Se3(5nm)/Sb(4nm) ]6、[Sn2Se3(5nm)/Sb(5nm) ]5、[Sn2Se3(5nm)/Sb(6nm) ]5、[Sn2Se3(5nm)/Sb(7nm) ]4 六種材料。
[0038]上述六種材料均按如下制備步驟制得:
[0039]S1、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)，具體清洗步驟為:
[0040]S10、在丙酮溶液中強(qiáng)超聲清洗3?5分鐘，去離子水沖洗；
[0041]Sll、在乙醇溶液中強(qiáng)超聲清洗3?5分鐘，去離子水沖洗，采用高純N2吹干表面和背面；
[0042 ] S12、在120 °C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘。
[0043]S2、采用磁控濺射方法制備多層復(fù)合薄膜[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x前的準(zhǔn)備:
[0044]S20、裝好Sn2Se3和Sb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I X 10—4Pa;
[0045]S21、設(shè)定濺射功率為30W;
[0046]S2 2、使用高純Ar作為濺射氣體(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0.3Pa ；
[0047]S3、采用磁控交替濺射方法制備多層復(fù)合薄膜[Sn2Se3(a)/Sb(b)]x:
[0048]S30、將空基托旋轉(zhuǎn)到Sn2Se3勒位，打開Sn2Se3勒上的直流電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始對(duì)Sn2Se3勒材表面進(jìn)行派射，清潔Sn2Se3勒位表面；
[0049]S31、Sn2Se3靶位表面清潔完成后，關(guān)閉Sn2Se3靶位上所施加的直流電源，將將空基托旋轉(zhuǎn)到Sb靶位，開啟Sb靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始對(duì)Sb靶材表面進(jìn)行濺射，清潔Sb靶位表面；
[0050]S32、Sb靶位表面清潔完成后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到Sn2Se3靶位，打開Sn2Se3靶位上的直流電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Sn2Se3薄膜；
[0051 ] S33、Sn2Se3薄膜濺射完成后，關(guān)閉Sn2Se3靶上所施