專利名稱：一種用于多級(jí)存儲(chǔ)相變存儲(chǔ)器的納米多層復(fù)合相變薄膜材料及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的材料，具體涉及一種用于多級(jí)存儲(chǔ)相變存儲(chǔ)器的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(PCM)作為新一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，具有高的讀速讀寫、高可靠性、低功耗、壽命長、循環(huán)擦寫次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠兼容于COMS工藝(S.Lai and Τ. Lowrey IEDM Tech. Dig.，2000，p. 243)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，PCM成為最有望取代目前普遍使用的FLASH技術(shù)，占領(lǐng)下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)市場的存儲(chǔ)技術(shù)。PCM是利用電流產(chǎn)生的焦耳熱量可逆改變薄膜電阻進(jìn)行編程，薄膜在高阻值時(shí)為非晶態(tài)，在低阻值時(shí)為晶態(tài)，高低電阻值分別對(duì)應(yīng)著邏輯數(shù)據(jù)的“0” 和 “1”(S. W. Ryu 等，Applied Physics Letters，92，142110， 2008)。目前PCM廣泛采用的相變材料是Ge2Sb2Te5薄膜，主要原因在于這種相變材料已經(jīng)成功應(yīng)用于相變光盤中(R. E. Simpsom等，Applied Physics Letters，92，141921，2008)，制備工藝成熟。雖然Ge2Sb2Te5薄膜各方面性能均衡，沒有大的缺點(diǎn)，但有很多值得改善的地方第一，與絕大部分相變材料體系一樣，Ge2Sb2Te5薄膜只具有高、低兩個(gè)電阻態(tài)對(duì)應(yīng)于邏輯上的“0”和“1”，在存儲(chǔ)密度上有較大改善空間。第二，數(shù)據(jù)保持能力有待改善，Ge2Sb2Te5 薄膜將數(shù)據(jù)保持10年的溫度在80°C左右，在較高溫度下數(shù)據(jù)保持能力會(huì)急劇下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)相變材料的缺點(diǎn)和不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，且具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料及其制備方法。與傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5薄膜相比，本發(fā)明的Ge2Sb2Te5ZiGa3c1Sb7c1納米多層復(fù)合薄膜則較好的解決了傳統(tǒng)相變材料的缺點(diǎn)和不足。Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl 二者的多層復(fù)合使得該材料體系存在兩個(gè)相變點(diǎn)，即第一次相變完成后，薄膜材料由高阻態(tài)變?yōu)橹虚g態(tài)，第二次相變完成后則由中間態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，三個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于邏輯上的“00”、“01”及“11”，如此能夠極大的提高相變存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)密度。此外，由于Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的相互影響， 以及多層復(fù)合的特殊層狀結(jié)構(gòu)，該多層復(fù)合相變薄膜材料體系的相變溫度明顯高于傳統(tǒng)的 Ge2Sb2Te5薄膜，同時(shí)具有較高的相變激活能，極大的提高了材料的熱穩(wěn)定性，使其具有了更好的數(shù)據(jù)保持能力。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)、具有高的數(shù)據(jù)保持能力的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，通過射頻交替濺射沉積Ge2Sb2Te5層和Ga3tlSb7tl層，在納米量級(jí)復(fù)合而成。
本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其中的單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜交替排列成多層膜結(jié)構(gòu)，且單層Ge2Sb2Te5薄膜的厚度范圍為10 133nm,單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度范圍為10 133nm ；所述Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為90 200nm。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci可簡寫為GST/Ga3(1Sb7(1。所述Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料的結(jié)構(gòu)符合下列通式[Ge2Sb2Te5(a)/Ga30Sb70(b)]x ；式中a、b分別表示所述單層Ge2Sb2Te5薄膜及單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度， 10彡a彡133nm，10彡b彡133nm且a b的比值在1 2到2 1之間，即0.5彡a b彡2; χ表示單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，且χ = 1、2或 3，通過相變薄膜的總厚度N與所述單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度和計(jì)算所得，即 a+b = N/x (nm)。較佳的，a b 為 1 2、1 1. 5、1 1,1. 5 1 或者 2 1。優(yōu)選的，所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜的總厚度為IOOnm ；此時(shí) a+b = 100/x(nm)。本發(fā)明上述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜具有兩個(gè)相變溫度，且間距在50°C以上；本發(fā)明上述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜具有高、中、低三個(gè)電阻態(tài)。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜在χ大于3時(shí)不具有高、中、低三個(gè)電阻態(tài)，而只呈現(xiàn)高、低兩個(gè)電阻態(tài)。本發(fā)明所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料采用磁控交替濺射方法制備，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為Ge2Sb2TejP Ga3tlSb7tl，濺射氣體為Ar氣。較佳的，所述Ge2Sb2Te5靶材的純度在原子百分比99. 999%以上，所述Ga3tlSb7tl靶材的純度在原子百分比99. 999%以上，本底真空度不大于IX 10_4Pa。較佳的，所述Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl靶材都采用射頻電源，且濺射射頻功率為 15-25W ；濺射射頻功率優(yōu)選為20W。較佳的，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 ；優(yōu)選的，所述氣體流量為30SCCM，濺射氣壓為02Pa。本發(fā)明所述單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度可通過濺射時(shí)間來調(diào)控。本發(fā)明所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料的制備過程具體包括以下步驟1)清洗 Si02/Si (100)基片；2)安裝好濺射靶材；設(shè)定射頻功率，設(shè)定濺射氣體流量及濺射氣壓；3)采用室溫磁控交替濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料a)將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如300s)，開始對(duì)Ge2Sb2Te5靶材進(jìn)行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將空基托旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如300s)，開始對(duì)Ga3tlSb7tl靶材進(jìn)行濺射 ，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；
c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜；(I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜；e)重復(fù) c)和 d)兩步，即在 Si02/Si (100) 基片上制備 Ge2Sb2Te5/Ga3。Sb70··· Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70多層復(fù)合相變薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，對(duì)于某一確定周期數(shù)的薄膜，通過控制Ge2Sb2TepGa3ciSb7ci靶材的濺射時(shí)間來調(diào)節(jié)多層薄膜周期中Ge2Sb2Te5 和Ga3tlSb7tl單層薄膜的厚度，從而形成所需結(jié)構(gòu)的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料能夠應(yīng)用于相變存儲(chǔ)器， 與傳統(tǒng)的相變薄膜材料相比具有如下特點(diǎn)首先，Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料具有高、中、低三個(gè)電阻態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，極大的提高存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)密度；其次，Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料同時(shí)具有較高的相變溫度和相變激活能， 具有更好的熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保持能力。


圖1為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]x納米多層復(fù)合相變薄膜材料及用于對(duì)比的傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5薄膜材料原位電阻與溫度的關(guān)系曲線，其中χ = 1、2、3 ；Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl 具有相同的單層厚度，即a = b = 100/2x nm。圖2為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料失效時(shí)間與溫度倒數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。圖3為基于本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器的I-V特性曲線。圖4為基于本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器的R-V特性曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5ZiGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (33nm) /Ga30Sb70 (67nm) ] l、[Ge2Sb2Te5 (40nm) /Ga30Sb70 (60nm) ] l、 [Ge2Sb2Te5 (50nm) /Ga30Sb70 (50nm) ] l > [Ge2Sb2Te5 (60nm) /Ga30Sb70 (40nm) ] l 禾口 [Ge2Sb2Te5 (67nm) /Ga30Sb70 (33nm) ] 且所述 Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci 納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。制備步驟為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N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘.2、 采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci薄膜前準(zhǔn)備(a)裝好Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl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1 X IO-4Pa ；(b)設(shè)定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達(dá)到99. 999%),設(shè)定濺射氣體流量為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Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料a)將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(300s)，開始對(duì)Ge2Sb2Te5靶材進(jìn)行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(300s)，開始對(duì) Ga30Sb70靶材進(jìn)行濺射，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜；(I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜。最終所得的[Ge2Sb2Te5/Ga3QSb7Q]1 薄膜總厚度均為 lOOnm，Ge2Sb2Te5 與 Ga3tlSb70 的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制，其中Ge2Sb2Te5的濺射速率為2. 8s/nm, Ga30Sb70的濺射速率為4s/nm。實(shí)施例2本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5ZiGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (Ilnm)/Ga30Sb70 (22nm) ] 3、[Ge2Sb2Te5 (13nm)/Ga30Sb70 (20nm) ] 3、 [Ge2Sb2Te5 (17nm) /Ga30Sb70 (17nm) ] 3、[Ge2Sb2Te5 (20nm) /Ga30Sb70 (1 3nm) ] 3 禾口 [Ge2Sb2Te5 (22nm) /Ga30Sb70 (Ilnm) ] 3，且所述 Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7tl 納米多層復(fù)合相變薄膜材料的最終的濺射總厚度均控制為lOOnm。制備步驟為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N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘.2、采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci薄膜前準(zhǔn)備(a)裝好Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl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1 X IO-4Pa ；(b)設(shè)定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達(dá)到99. 999%),設(shè)定濺射氣體流量為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Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料a)將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(300s)，開始對(duì)Ge2Sb2Te5靶材進(jìn)行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(300s)，開始對(duì) Ga30Sb70靶材進(jìn)行濺射，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜； (I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關(guān)閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜。e)重復(fù)c)和d)兩步，即在Si02/Si(100)基片上制備3個(gè)交替復(fù)合層的Ge2Sb2Te5/ Ga30Sb70··· Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70 多層復(fù)合相變薄膜材。最終所得的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ3 薄膜總厚度均為 lOOnm，Ge2Sb2Te5 與 Ga3tlSb7tl 的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制，其中Ge2Sb2Te5的濺射速率為2. 8s/nm, Ga30Sb70 的濺射速率為4s/nm。實(shí)施例3 本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (20nm)/Ga30Sb70 (30nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (25nm)/Ga30Sb70 (25nm) ] 2、 [Ge2Sb2Te5 (30nm) / Ga30Sb70 (20nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (34nm) / Ga30Sb70 (1 7nm) ] 2 禾口 [Ge2Sb2Te5 (17nm) /Ga30Sb70 (34nm)]2,且所述 Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci 納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備方法與實(shí)施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為lOOnm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制。對(duì)比例1本對(duì)比例中制備單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料，厚度為lOOnm。制備步驟為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N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內(nèi)烘干水汽，約20分鐘.2、采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5薄膜前準(zhǔn)備(a)裝好6%51321^5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1 X IO-4Pa ；(b)設(shè)定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達(dá)到99. 999%),設(shè)定濺射氣體流量為30SCCM，并將濺射氣壓調(diào)節(jié)至0. 2Pa。3、采用磁控濺射方法制備Ge2Sb2Te5相變薄膜材料
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(300s)，開始對(duì)Ge2Sb2Te5靶材進(jìn)行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面； WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關(guān)閉靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉(zhuǎn)到 Ge2Sb2Te5靶位，開啟Ge2Sb2Te5靶位上的射頻電源，依照設(shè)定的濺射時(shí)間(280s)，開始濺射 Ge2Sb2Te5薄膜。即在Si02/Si (100)基片上制備了厚度為IOOnm的Ge2Sb2Te5薄膜。將上述實(shí)施例1-3 的[Ge2Sb2Te5ZGa30SbJ1, [Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70]2，[Ge2Sb2Te5/ Ga3tlSb7J3納米多層復(fù)合相變薄膜材料和對(duì)比例1的單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料進(jìn)行測試得到各相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線圖1，圖1中Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl具有相同的單層厚度；將上述實(shí)施例 3 的[Ge2Sb2Te5 (20nm) /Ga30Sb70 (30nm) ] 2、[Ge2Sb2Te5 (25nm) / Ga30Sb70 (25nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga30Sb70 (20nm) ]2 禾口 [Ge2Sb2Te5 (34nm)/Ga30Sb70 (17nm) ]2 納米多層復(fù)合相變薄膜材料和對(duì)比例1的單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料進(jìn)行測試得到各相變薄膜材料的失效時(shí)間與溫度倒數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖2 ；將上述實(shí)施例3的 [Ge2Sb2Te5 (30nm) /Ga30Sb70 (20nm) ]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料進(jìn)行測試得到其相變存儲(chǔ)器的I-V特性曲線圖3和其相變存儲(chǔ)器的I-V特性曲線圖4 ；圖1-圖4的檢測結(jié)果如下圖1為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]x納米多層復(fù)合相變薄膜材料及用于對(duì)比的傳統(tǒng)Ge2Sb2Tej^膜材料原位電阻與溫度的關(guān)系曲線，測試過程中的升溫速率為30°C /min。 在低溫下，所有薄膜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(dá)到第一個(gè)相變溫度時(shí)，部分薄膜開始晶化，相應(yīng)的電阻開始快速下降，溫度達(dá)到220°C左右時(shí)薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)樘幱谥虚g電阻態(tài)的多晶_非晶混合態(tài)。隨著溫度的進(jìn)一步升高，薄膜在溫度達(dá)到第二個(gè)相變點(diǎn)時(shí)開始第二次晶化過程，最終整個(gè)多層薄膜完全轉(zhuǎn)化為多晶態(tài)，電阻也下降到最低。這個(gè)過程在實(shí)際應(yīng)用中是通過施加電脈沖的方式產(chǎn)生焦耳熱使相變薄膜材料在非晶態(tài)(高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。兩個(gè)相變溫度的間距在70°C左右，保證在實(shí)際應(yīng)用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實(shí)際應(yīng)用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關(guān)比。圖2為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料失效時(shí)間與溫度倒數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。根據(jù)業(yè)內(nèi)的統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一，利用相變材料將數(shù)據(jù)保持10年時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度來評(píng)判材料的數(shù)據(jù)保持能力?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)的Ge2Sb2Te5薄膜材料將數(shù)據(jù)保持 10年的溫度為84. 5°C，而本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料則將數(shù)據(jù)保持10年的溫度提升到了 110°C以上。若以傳統(tǒng)的Ge2Sb2Tej^膜材料的保持能力為標(biāo)準(zhǔn)，本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料則可以在84. 5°C的環(huán)境中將數(shù)據(jù)保持到1. 89 X IO11秒(6000年)。因此，本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ 2納米多層復(fù)合相變薄膜材料具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力。圖3為基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga3tlSb7tl(20nm)]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器的I-V特性曲線。初始本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復(fù)合相變薄膜材料處于高電阻狀態(tài)，隨著電流增加至5X ICT5A時(shí)，薄膜材料的電阻驟減， 實(shí)現(xiàn)第一次相變，進(jìn)入中間態(tài)；當(dāng)電流進(jìn)一步增加至4X ICT4A時(shí)，薄膜材料電阻再次驟減， 實(shí)現(xiàn)第二次相變，進(jìn)入低阻狀態(tài)。 圖4為基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5 (30nm) /Ga30Sb70 (20nm) ] 2納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器的R-V特性曲線。對(duì)已經(jīng)處于低阻狀態(tài)的基于[Ge2Sb2Te5(30nm)/ Ga30Sb70 (20nm) ] 2納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器施加電流脈沖，當(dāng)電壓達(dá)到3. 4V 時(shí)，薄膜材料由低阻狀態(tài)變?yōu)橹虚g阻值狀態(tài)，當(dāng)電壓進(jìn)一步升高至4. 5V時(shí)，薄膜材料由中間阻值態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。結(jié)合圖4可以說明，基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga3tlSb7tl(20nm)]2 納米多層復(fù)合相變薄膜材料的相變存儲(chǔ)器已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于“ OO，，、“ 01”、“ 11，，的多態(tài)存儲(chǔ)。經(jīng)檢測，實(shí)施例1-3的其他Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料均在非晶態(tài)(高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。兩個(gè)相變溫度的間距在70°C左右，保證在實(shí)際應(yīng)用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實(shí)際應(yīng)用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與 器件的開/關(guān)比。該材料將數(shù)據(jù)保持10年的溫度提升到了 110°C以上，具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力，且完全實(shí)現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于“00”、“01”、“11”的多態(tài)存儲(chǔ)。實(shí)施例4本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (67nm) /Ga30Sb70 (133nm) ] 1 禾口 [Ge2Sb2Te5 (133nm)/Ga30Sb70 (67nm) ] i 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為200nm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備方法與實(shí)施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為200nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制。經(jīng)檢測，本實(shí)施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。兩個(gè)相變溫度的間距在70°C左右，保證在實(shí)際應(yīng)用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實(shí)際應(yīng)用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關(guān)比。該材料將數(shù)據(jù)保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力，且完全實(shí)現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲(chǔ)。實(shí)施例5本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體分別為[Ge2Sb2Te5 (IOnm)/Ga30Sb70 (20nm)] 3 禾口 [Ge2Sb2Te5 (20nm)/Ga30Sb70 (IOnm) ] 3 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為90nm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備方法與實(shí)施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ2薄膜總厚度均為90nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制。經(jīng)檢測，本實(shí)施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。兩個(gè)相變溫度的間距在70°C左右，保證在實(shí)際應(yīng)用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實(shí)際應(yīng)用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關(guān)比。該材料將數(shù)據(jù)保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力，且完全實(shí)現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲(chǔ)。實(shí)施例6
本實(shí)施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料結(jié)構(gòu)具體分另Ij 為[Ge2Sb2Te5(45nm)/Ga30Sb70 (30nm) ]2 和[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga30Sb70 (45nm) ]2 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為150nm。 上述各Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米復(fù)合多層相變薄膜材料的制備方法與實(shí)施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為150nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時(shí)間的不同來控制。經(jīng)檢測，本實(shí)施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。兩個(gè)相變溫度的間距在70°C左右，保證在實(shí)際應(yīng)用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實(shí)際應(yīng)用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關(guān)比。該材料將數(shù)據(jù)保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)保持能力，且完全實(shí)現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種Gejb2Te5A^3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于，所述Gejb2Te5/ Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料中單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜交替排列成多層膜結(jié)構(gòu)，且單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度和單層(^a3tlSb7tl薄膜的厚度均為10 133nm ；所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7tl納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為90-200nm。
2.如權(quán)利要求1所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于， 所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料的結(jié)構(gòu)符合下列通式[Ge2Sb2Te5 (a) /Ga30Sb70(b) ]x ；式中，a、b分別表示所述單層Ge2Sb2I^5薄膜及單層G^lSb7tl薄膜的厚度， 10彡a彡133nm, 10彡b彡133nm，且a b的比值為(1 2) O 1) ；χ表示單層 Ge2Sb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜的交替周期數(shù)或者交替層數(shù)，且χ為正整數(shù)1、2或3，χ通過相變薄膜的總厚度N與所述單層Gejb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜的厚度和計(jì)算所得， 即 a+b = N/x(nm)。
3.如權(quán)利要求2所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于， 所述 a b 的比值為 1 2、1 1. 5,1 1,1. 5 1 或者 2 1。
4.如權(quán)利要求2所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于， Pm Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜的總厚度為lOOnm。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于，所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料具有兩個(gè)相變溫度，且兩相變溫度的間距在50°C以上。
6.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，其特征在于，所述Ge52Sb2Te5A^3tlSb7tl納米多層復(fù)合相變薄膜材料具有高、中、低三個(gè)電阻態(tài)。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的Ge52Sb2Tii5A^3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料的制備方法，其特征在于，采用磁控交替濺射方法制備所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為Ge2Sb2I^5和fe3(1Sb7(1，濺射氣體為Ar 氣。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述Ge52Sb2Te55靶材的純度在原子百分比99. 999 %以上，所述fei3(1Sb7(1靶材的純度在原子百分比99. 999 %以上，本底真空度不大于 1 X KT4Pa ；所述Ar氣的純度為體積百分比99. 999%以上。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述Ge2Sb2I^5和(^a3tlSb7tl靶材濺射都采用射頻電源，且濺射射頻功率為15-25W;所述Ar氣的氣體流量為25-35SCCM，濺射氣壓為 0. 15-0. 25Pa ；所述單層Ge2Sb2I^5薄膜和單層fei3(1Sb7(1薄膜的厚度通過濺射時(shí)間來調(diào)控。
10.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的Ge52Sb2Tii5A^3ciSb7ci納米多層復(fù)合相變薄膜材料在多級(jí)存儲(chǔ)相變存儲(chǔ)器中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多級(jí)存儲(chǔ)相變存儲(chǔ)器的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料中單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga30Sb70薄膜交替排列成多層膜結(jié)構(gòu)，且單層Ge2Sb2Te5薄膜的厚度和單層Ga30Sb70薄膜的厚度均為10~133nm；所述Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜材料的總厚度為90-200nm。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復(fù)合相變薄膜用于相變存儲(chǔ)器中能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)，同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性，對(duì)數(shù)據(jù)的保持能力極強(qiáng)。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102354729SQ20111030675
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者孫明成, 汪昌州, 沈波, 翟繼衛(wèi) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)