復(fù)合相變薄膜材料（Si/Ge2Sb2Te5/Si）n及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域的相變薄膜材料，具體涉及一種復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si )n 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著多媒體計算機網(wǎng)絡(luò)在全球的延伸和普及，儲存介質(zhì)的開發(fā)與研究越來越受到人們的重視。Ge2Sb2Te5(簡稱GST)是目前大家公認的、研究最多、最為成熟的相變材料，極為符合商用存儲器的需求。但是，Ge2Sb2Te5目前仍然有許多性質(zhì)缺陷或不足亟待解決，其較低的結(jié)晶溫度和較差的熱穩(wěn)定性使得GST的數(shù)據(jù)保持力不盡人意，存在很多有待改善和提高的地方(Loke，D.等，Science, 2012,336(6088): 1566)。比如，Ge2Sb2Ted^膜的晶化溫度只有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，其次，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。這些問題阻礙了其進一步的產(chǎn)業(yè)化。
[0003]人們對Ge2Sb2Te5提出了各種不同的優(yōu)化方法，例如通過摻雜其他元素或在兩層Ge2Sb2Te5之間穿插其他薄膜層來改性。
[0004]關(guān)于摻雜其他元素的方式，中國專利文獻CN1 0 1 1 09056 B(申請?zhí)?00710042918.2)公開了一種鋁摻雜相變薄膜材料Alx(Ge2Sb2Te5)1.X，其中0<x< 5，制備時使用磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，將金屬鋁靶材與Ge2Sb2TegE材分別安裝在一磁控直流濺射靶和一磁控射頻濺射靶中，通過退火來實現(xiàn)薄膜在各溫區(qū)的相變。
[0005]關(guān)于在兩層Ge2Sb2Te5之間穿插其他薄膜層來改性的方式，中國專利文獻CN102832340 B(申請?zhí)?01210335211.1)公開了一種相變存儲器單元，包括Ge-Sb-Te相變材料層，所述Ge-Sb-Te相變材料層中穿插設(shè)有多層又到相變材料結(jié)晶的銻薄膜;制備方法是
I)在制備好加熱電極襯底上沉積Ge-Sb-Te相變材料層;2)在該Ge-Sb-Te相變材料層上沉積銻薄膜;3)在所述銻薄膜上沉積另一Ge-Sb-Te相變材料層;4)重復(fù)步驟2)至步驟3)n次，η為整數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于相變存儲器的相變速率、熱穩(wěn)定性可控的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)^其制備方法。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n，由η組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元組成，每一組復(fù)合薄膜單元包括兩層Si納米薄膜和一層Ge2Sb2Te5納米薄膜，Ge2Sb2Te5薄膜的兩側(cè)表面由Si薄膜完全包覆；相鄰的兩組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元共用一層Si薄膜。
[0008]上述組成復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)J^Si納米薄膜的厚度為2nm?10]1111，6623匕2了65納米薄膜的厚度為2111]1?1011111;11為正整數(shù)。
[0009]上述復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n*，所有Si納米薄膜的厚度與所有Ge2Sb2Te5納米薄膜的厚度相同。
[0010]—種如上所述的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^/^lj備方法，包括以下步驟:
①基片的準備，將基片洗凈烘干待用。
[0011]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Si和Ge2Sb2Te5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。
[0012]@磁控派射制備[5；^)/6623&2了65(1)/3；[(1)] η多層復(fù)合薄膜，首先清潔Si革E材和Ge2Sb2TedE材表面，清潔完畢后，將待濺射的基片旋轉(zhuǎn)到Si靶位，濺射結(jié)束后得到Si薄膜層;Si薄膜層濺射完成后，將已經(jīng)濺射了 Si薄膜層的基片旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，濺射結(jié)束后得到Ge2Sb2Te5薄膜層;重復(fù)上述派射Si層和Ge2Sb2Te5層的操作n_l次，然后在最表面一層的6623匕2了65薄膜上再派射一層3；1薄膜，即得到[3；[(1)/6623匕2了65(1)/3；[(1)] η復(fù)合相變薄膜材料。
[0013]上述步驟③中Si層濺射速率為0.4?0.5nm/s,Ge2Sb2Te5層濺射速率為0.35 nm/s?0.45nm/so
[0014]本發(fā)明具有積極的效果:本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^n組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元組成，每一組復(fù)合薄膜單元包括兩層Si納米薄膜和一層Ge2Sb2Te5納米薄膜，Ge2Sb2Te5薄膜的兩側(cè)表面由Si薄膜完全包覆；相鄰的兩組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元共用一層Si薄膜;或者說復(fù)合相變薄膜材料中一共包含了 η層Ge2Sb2Te5薄膜，每一層Ge2Sb2Te5薄膜的兩側(cè)都由一層Si薄膜完全包覆。
[0015]傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5相變材料具有較低的熱脹系數(shù)以及易形變的特點，升溫后首先經(jīng)歷緩慢的熱膨脹，隨之在相變溫度(約160°C)附近發(fā)生劇烈的結(jié)構(gòu)相變并伴隨急劇的體積收縮效應(yīng)。
[0016]本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n具有非晶和多晶結(jié)構(gòu)，且都具有獨立的Si相和Ge2Sb2Te5相;本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料能夠在外部提供能量(或升溫)的情況下實現(xiàn)可逆的非晶和多晶結(jié)構(gòu)相變，伴隨產(chǎn)生可逆的高阻與低阻態(tài)轉(zhuǎn)。
[0017]本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n利用了S1-Ge2Sb2Te5界面效應(yīng)與應(yīng)力調(diào)控相變特性，使用的Si納米薄膜具有相對較高的熱脹系數(shù)，其在升溫過程中對Ge2Sb2Te5提供一個張應(yīng)力，并在Ge2Sb2Te5相變時阻礙其結(jié)構(gòu)的收縮，從而能顯著調(diào)控Ge2Sb2Te^相變溫度和相變速率，因此本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料由于Si/Ge2Sb2Te5界面效應(yīng)的存在，以及升溫、相變過程中Si與Ge2Sb2Te5熱脹系數(shù)的失配導致在界面產(chǎn)生的應(yīng)力作用，表現(xiàn)出不同于Ge2Sb2TeJ^相變溫度和相變速率，具有優(yōu)異、可靠和可控的相變性能，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率、熱穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)保持力的調(diào)控，同時還可以調(diào)控晶態(tài)電阻。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實施例1的復(fù)合相變薄膜材料在不同升溫速率下的電阻與溫度關(guān)系曲線；
圖3為本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料在不同厚度下的電阻與溫度關(guān)系曲線；
圖4為本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料在不同厚度下的激活能； 圖5為本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料在不同厚度下的數(shù)據(jù)保持力；
圖6為本發(fā)明的復(fù)合相變薄膜材料在不同厚度下的Raman特性；
上述附圖中的標記如下:襯底I，Si納米薄膜2，Ge2Sb2Te5納米薄膜3。
【具體實施方式】
[0019](實施例1)
見圖1，本實施例的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n為多層膜結(jié)構(gòu)，由η組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元組成，每一組復(fù)合薄膜單元包括兩層Si納米薄膜2(以下簡稱Si薄膜)和一層Ge2Sb2Te5納米薄膜3(以下簡稱Ge2Sb2Te5薄膜)，Ge2Sb2Te5薄膜3的兩側(cè)表面由Si薄膜2完全包覆;相鄰的兩組Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元共用一層Si薄膜2;或者說復(fù)合相變薄膜材料中一共包含了 η層Ge2Sb2Te5薄膜3，每一層Ge2Sb2Te5薄膜3的兩側(cè)都由一層Si薄膜2完全包覆。
[0020]組成復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n的所有Si納米薄膜2的厚度與所有Ge2Sb2Te5納米薄膜3的厚度相同，Si納米薄膜2的厚度為2nm?10nm，Ge2Sb2Te5納米薄膜3的厚度為2nm?1nm 納米薄膜2中Si含量99.999%以上，Ge2Sb2Te5納米薄膜3中Ge2Sb2Te5含量99.999%以上。
[0021]上述復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n的膜結(jié)構(gòu)用通式[Si (x)/Ge2Sb2Te5(x)/Si(x)] η表示，其中X為單層Si薄膜層和Ge2Sb2Te5薄膜的厚度，2nm < x < 10nm，n為Si/Ge2Sb2Te5/Si復(fù)合薄膜單元的組數(shù)，η為正整數(shù)。
[0022]本實施例的復(fù)合相變薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n為[Si (1nmVGe2Sb2Te5
(10]1111)/3；[(1011111)]1()，采用3；[和6623&2了65作為革[11材，交替派射制得。
[0023]具體制備方法包括以下步驟:
①基片的準備。選取尺寸為5mm X 5mm的Si02/Si (100)基片I，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。
[0024]②磁控濺射的準備。
[0025]在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(JGP-450型)中，將步驟①準備的待濺射的Si02/Si(100)基片放置在基托上，將Si(原子百分比99.