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(lèi)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(chǔ)器中的應(yīng)用。
背景技術(shù):
相變存儲(chǔ)器(Phase-Change Random Access Memory,縮寫(xiě)為PCRAM)具有循環(huán)壽命長(zhǎng)(>1013次)、元件尺寸小、存儲(chǔ)密度高、讀取速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐高低溫(-55℃~125℃)、抗振動(dòng)以及與現(xiàn)有集成電路工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn),因而受到越來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。相變材料在非晶態(tài)時(shí)具有較高的電阻,在晶態(tài)時(shí)具有較低的電阻,兩態(tài)之間的電阻差異可以達(dá)到2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。通過(guò)電流誘導(dǎo)的焦耳熱,可以實(shí)現(xiàn)相變材料在兩個(gè)電阻態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)變。PCRAM以其巨大的優(yōu)勢(shì),被國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為是最有可能取代目前的閃存而成為未來(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)器。
相變材料是PCRAM的核心,其性能直接決定PCRAM的各項(xiàng)技術(shù)性能。Ge2Sb2Te5是目前廣泛采用的相變存儲(chǔ)材料,雖然其各方面的性能均衡,沒(méi)有太大的缺點(diǎn),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(chǔ)器的操作速度主要受限于薄膜的相變過(guò)程,而Ge2Sb2Te5的晶化機(jī)制以形核為主,使其相變速度較慢,無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)高速、大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息存儲(chǔ)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(mǎn)足未來(lái)高集成度的半導(dǎo)體芯片的要求;最后,Ge2Sb2Te5較高的熔點(diǎn)及較低的晶態(tài)電阻使得PCRAM需要較大的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)完成RESET操作,導(dǎo)致其RESET功耗較大。
近年來(lái),類(lèi)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(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)具有較低的熱導(dǎo)率,可以減少加熱過(guò)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(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)中多層界面的夾持效應(yīng)可以抑制晶化、減小晶粒尺寸,從而縮短結(jié)晶時(shí)間,在提高熱穩(wěn)定性的同時(shí)加快相變速度;最后,類(lèi)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(lèi)超晶格相變材料是一種非常有開(kāi)發(fā)潛力的相變材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)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(diǎn)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(lèi)超晶格納米相變薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用。
為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種GeTe/Ge類(lèi)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(guò)交替疊加形成類(lèi)超晶格結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的,所述GeTe/Ge類(lèi)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(lèi)超晶格納米相變薄膜材料的總厚度為[(a+b)*x]。
在設(shè)計(jì)相變存儲(chǔ)器時(shí),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(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度和更小的器件尺寸。另外,本發(fā)明的SiO2/Sb類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料的厚度可以通過(guò)濺射時(shí)間來(lái)調(diào)控。
一種GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料的制備方法,其通過(guò)磁控濺射法將GeTe薄膜材料和單質(zhì)Ge薄膜材料進(jìn)行納米量級(jí)復(fù)合,形成具有類(lèi)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(dá)到99.999%)和Ge(優(yōu)選原子百分比純度達(dá)到99.999%);濺射氣體為高純氬氣(優(yōu)選體積百分比純度達(dá)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(shè)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(lèi)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間,開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間,開(kāi)始濺射Ge薄膜;
e)重復(fù)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(lèi)超晶格納米相變薄膜材料。
利用本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料在非晶態(tài)時(shí)的高阻和在晶態(tài)時(shí)的低阻可以進(jìn)行邏輯數(shù)據(jù)“1”和“0”的存儲(chǔ),因此本發(fā)明的納米相變薄膜材料可用于制備相變存儲(chǔ)器,特別是高速、高穩(wěn)定性、低功耗的相變存儲(chǔ)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(diǎn):
(1)本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料利用類(lèi)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(shí)間、抑制晶化,在提高材料熱穩(wěn)定性的同時(shí),加快了相變速度;
(2)隨著GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜中Ge層相對(duì)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(lèi)超晶格納米相變薄膜中Ge層相對(duì)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(guò)程的效率,從而降低操作功耗;
(4)將本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料制成相變存儲(chǔ)器后,在電流脈沖的激發(fā)誘導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí),保證了電阻讀取的有效分辨。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)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(xiàn)。
圖2為由本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)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(chǔ)器的I-V特性曲線(xiàn)。
圖3為由本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)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(chǔ)器的R-V特性曲線(xiàn)。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)理解的是,這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,而并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外,除非特殊說(shuō)明,下列實(shí)施例中使用的儀器、試劑、材料等均可通過(guò)常規(guī)商業(yè)手段獲得。
實(shí)施例1:制備[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]8類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為1nm),開(kāi)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(fù)8次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有8個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]8,總厚度約為48nm。
實(shí)施例2:制備[GeTe(5nm)/Ge(2nm)]7類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為2nm),開(kāi)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(fù)7次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有7個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(2nm)]7,總厚度約為49nm。
實(shí)施例3:制備[GeTe(5nm)/Ge(3nm)]6類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為3nm),開(kāi)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(fù)6次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有6個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(3nm)]6,總厚度約為48nm。
實(shí)施例4:制備[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]6類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為4nm),開(kāi)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(fù)6次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有6個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]6,總厚度約為54nm。
實(shí)施例5:制備[GeTe(5nm)/Ge(5nm)]5類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(fù)5次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有5個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(5nm)]5,總厚度約為50nm。
實(shí)施例6:制備[GeTe(5nm)/Ge(8nm)]4類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為8nm),開(kāi)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(fù)4次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有4個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(1nm)]8,總厚度約為52nm。
實(shí)施例7:制備[GeTe(5nm)/Ge(10nm)]3類(lèi)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
c)在120℃烘箱內(nèi)烘干水汽,約20分鐘。
2、制備多層復(fù)合薄膜前準(zhǔn)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(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(fù)合薄膜:
a)將空基托旋轉(zhuǎn)到GeTe靶位,打開(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材表面進(jìn)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)Ge靶材表面進(jìn)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為5nm),開(kāi)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(kāi)啟Ge靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(Ge薄膜的濺射速率為3.86s/nm,厚度為10nm),開(kāi)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(fù)3次,即在SiO2/Si(100)基片上制備出具有3個(gè)交替周期的類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge(10nm)]3,總厚度約為45nm。
對(duì)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(jī)和無(wú)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,高純氮?dú)獯蹈杀砻婧捅趁妫?/p>
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(zhǔn)備:
a)裝好GeTe濺射靶材,靶材的原子百分比純度達(dá)到99.999%,并將本底真空度抽至1×10-4Pa;
b)設(shè)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(dá)到99.999%,設(shè)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(kāi)GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(如100s),開(kāi)始對(duì)GeTe靶材進(jìn)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(kāi)啟GeTe靶上的射頻電源,依照設(shè)定的濺射時(shí)間(GeTe薄膜的濺射速率為2.49s/nm,厚度為50nm),開(kāi)始濺射單層GeTe薄膜。
實(shí)驗(yàn)例1:本發(fā)明的GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料的性能測(cè)試。
將實(shí)施例1、2、4、6和7中制備的5種GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜材料和對(duì)比例1中制備的單層GeTe納米相變薄膜材料進(jìn)行測(cè)試,得到各個(gè)相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關(guān)系曲線(xiàn),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(fù)合兩類(lèi)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(dá)到相變溫度時(shí),薄膜開(kāi)始晶化,相應(yīng)的電阻開(kāi)始快速下降,相變過(guò)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(guò)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(shuō)明熱穩(wěn)定性較差,無(wú)法滿(mǎn)足PCRAM的應(yīng)用需求。另外,隨著GeTe/Ge類(lèi)超晶格納米相變薄膜中Ge層相對(duì)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(shí),隨著Ge層相對(duì)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(guò)程的效率,從而降低操作功耗。
另外,采用類(lèi)似于對(duì)比例1的工藝制備50nm厚的Ge2Sb2Te5(GST)薄膜,將其與上述實(shí)施例4中制備的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]6類(lèi)超晶格納米相變薄膜分別制成相變存儲(chǔ)器,并測(cè)試相應(yīng)的電流-電壓(I-V)曲線(xiàn)和電阻-電壓(R-V)曲線(xiàn),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(lèi)超晶格納米相變薄膜材料起初處于高阻狀態(tài),當(dāng)電壓增加到1.02V時(shí),薄膜材料的電阻驟減,說(shuō)明其發(fā)生了相變。由于其SET過(guò)程(從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為SET過(guò)程,而從低阻態(tài)轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為RESET過(guò)程)的閾值轉(zhuǎn)換電壓(1.02V)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5薄膜材料SET過(guò)程的閾值轉(zhuǎn)換電壓(4.18V),因此本發(fā)明的[GeTe(5nm)/Ge(4nm)]6類(lèi)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(shí)現(xiàn)了SET和RESET可逆操作。由于PCRAM中RESET過(guò)程的轉(zhuǎn)換電流較大,因此評(píng)價(jià)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(lèi)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(lèi)超晶格納米相變薄膜材料制成相變存儲(chǔ)器后,在電流脈沖的激發(fā)誘導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí),保證了電阻讀取的有效分辨。