專利名稱：一種用于信息存儲的(GeTe)<sub>a</sub>(Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>)<sub>b</sub>基稀磁半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子技術(shù)領(lǐng)域用于存儲器的信息存儲材料，具體 的是一種摻雜了鐵》茲元素或稀土元素的(GeTe)a(Sb2Te3)b基信息存儲材料。
背景技術(shù)：
電子效應(yīng)的存儲器，被認(rèn)為是最有希望的下一代高速、高密度、低功耗存儲 器。相變存儲器用相變材料作為存儲介質(zhì)，通過外部能量的作用使硫系化合 物在非晶和晶體之間發(fā)生可逆相變，并利用這兩相之間的電阻差異來實現(xiàn)數(shù) 據(jù)的存儲，具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前存儲器研究的一個熱點。那么就目 前來看，得到公認(rèn)的也是研究最多的相變材料為Ge-Sb-Te系列合金，其中以 Ge2Sb2Te5最為熱門，并且已經(jīng)在在商業(yè)化的DVD碟片中得到了廣泛的應(yīng)用。 目前世界范圍內(nèi)正在探索的Ge2Sb2Te5相變材料的另一類應(yīng)用是利用電脈沖 使其在非晶相和晶體相之間進(jìn)行互換，并通過探測兩相間的電阻差異來進(jìn)行 數(shù)據(jù)的讀取。但是在Ge-Sb-Te相變材料中摻雜磁性元素，并利用摻雜后的 Ge-Sb-Te相變材料在相變前后磁性信息的差異進(jìn)行存儲的方式還從未見報 到。
但是現(xiàn)在大規(guī)模應(yīng)用的信息存儲方式通常是由磁性材料來完成的，例如 計算機(jī)硬盤正是通過磁介質(zhì)來存儲信息的，這種存儲方式是目前為止最為成 熟并且正在被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域當(dāng)中。通過對Ge-Sb-Te相變材料進(jìn)行》茲 性元素的摻雜，會使得該類相變材料具備磁性。可以利用相變材料晶體和非 晶兩相電阻的差異來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和讀取，也可以利用光反射率的不同進(jìn) 行信息存儲，進(jìn)一步才艮據(jù)此發(fā)明內(nèi)容，可以利用^茲性元素在相變材料晶體和 非晶兩相中磁性的差異來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和讀取，將高速高密度的相變存儲 器、光存儲以及目前正在廣泛應(yīng)用的磁介質(zhì)存儲合三為一。相信這種具有三 重存儲器功能的材料在實際應(yīng)用中勢必會減少系統(tǒng)的復(fù)雜性并在降低成本、 縮小尺寸及提高存儲密度方面起到一定的推動作用。這也正是本發(fā)明的出發(fā) 點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于4是出一種兼具^茲性、電阻和光學(xué)性質(zhì)的非易失性信息 存儲材料，也是一種稀;茲半導(dǎo)體材料。所提供的材料是一種在外部能量的作 用下可以實現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變的材料，所述的外部能量可以為熱 驅(qū)動、電子束驅(qū)動、電脈沖驅(qū)動或激光脈沖驅(qū)動中的一種或幾種。該材料在發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變的前后可以實現(xiàn)電阻值在2倍至幾個數(shù)量級范圍內(nèi)的變化；同 時，該材料在可逆轉(zhuǎn)變前后的光反射率不同；進(jìn)一步，該材料在可逆轉(zhuǎn)變前 后的會發(fā)生磁性的變化或兩者的磁化強(qiáng)度有著一定的差別，非晶相和晶體相 這兩個不同區(qū)域中記錄的不同磁信號就被探測出來或者被轉(zhuǎn)換成電信號探測 出來，并且分別^皮表達(dá)為0和1，是一種可同時應(yīng)用于相變存儲、光存儲和磁 存儲，或應(yīng)用于具有雙重或者三重功能存儲器的理想材料。本發(fā)明提出的一種兼具磁性、電阻和光學(xué)性質(zhì)的非易失性信息存儲材料， 是將磁性材料摻雜進(jìn)(GeTe)"Sb2Te:0b合金，摻雜劑量原子百分含量大于0小 于40%，摻雜元素為磁性元素鐵、鈷、鎳、錳或稀土元素中的一種，或為幾 種元素的混合纟參雜。其中a和b的比值為0.5、 l或者2，或者b-0。本發(fā)明所述的兼具》茲性、電阻和光學(xué)性質(zhì)的非易失性信息存儲材料，是 將磁性材料摻雜進(jìn)(GeTe)a(Sb2Te3)b合金，制備方法多樣。具有磁性的相變薄 膜材料可以采用多靶共濺射的方法制備，各種元素分別對應(yīng)不同的耙，材料 最終的組分和厚度可以通過在每個靶上施加不同的功率來控制。具有磁性的 相變薄膜材料也可以采用濺射Ge-Sb-Te合金靶和磁性元素單質(zhì)靶或磁電阻材 料合金靶的方式來制備。同時，還可以采用其它一些沉積薄膜的方法，如對 相應(yīng)的元素材料進(jìn)行共蒸發(fā)，或者采用蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)Ge-Sb-Te合金和不 同的磁性材料來制備不同摻雜組分的具有磁性的非易失性信息存儲材料等。 除此之外，還可以采用離子注入法或者分子書外延法來制備不同摻雜組分的 具有磁性的非易失性信息存儲材料。本發(fā)明所述的兼具i茲性、電阻和光學(xué)性質(zhì)的非易失性信息存儲材料可以 通過外部能量的作用來實現(xiàn)非晶相和晶體相之間的可逆轉(zhuǎn)變，利用變化前后 非晶相和晶體相之間電阻的差異、光反射率差異或者利用變化前后在非晶相 和晶體相中磁電阻材料磁性的差異來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和讀取?，F(xiàn)出不同的 磁性或者有較大的磁化強(qiáng)度的差別。本發(fā)明所述的外部能量為熱驅(qū)動、電子束驅(qū)動、電脈沖驅(qū)動或激光脈沖 驅(qū)動中的一種或幾種。本發(fā)明所述的兼具》茲性、電阻和光學(xué)性質(zhì)的非易失性信息存儲材料可應(yīng) 用于各種類型的采用相變原理進(jìn)行存儲的存儲器、光存儲器以及磁介質(zhì)存儲 器，包括激光脈沖驅(qū)動的多媒體數(shù)據(jù)光盤、電脈沖驅(qū)動的存儲器或磁性存儲 器等等。
圖1為本發(fā)明的相變薄膜材料癒0.35(6628132丁65)().65分別在非晶狀態(tài)下以及300度退火后晶態(tài)下的磁滯回線。圖2為相變薄膜材料Ge2Sb2Te5分別在非晶狀態(tài)下以及300度退火后晶態(tài) 下的；茲滯回線。圖3為本發(fā)明的相變薄膜材料Mn(u5(Ge2Sb2Te5),在透射電子顯微鏡 (TEM)中的初始形貌像及相應(yīng)的非晶電子衍射圖O)和利用原位熱臺加熱至 220度(b)、 250度(c)和300度(d)后的明場形貌像及相應(yīng)的多晶電子衍射圖。圖4 (a)為本發(fā)明的相變薄膜材料0),(06281)2丁65)0.96分別在非晶狀態(tài)下 以及300度退火后晶態(tài)下的磁滯回線。圖4(b)為(a)圖的放大，相變薄膜材料 Co,(Ge2Sb2Te5),的非晶態(tài)和晶態(tài)表現(xiàn)出了很大的磁性差異。
具體實施方式
實施例1采用雙靶共賊射的方法用Mn和Ge2Sb2Te5兩個相對獨立的靶材在Si片上 制備出Mn-Ge2Sb2Te5相變薄膜材料，同時為了便于對本發(fā)明中相變存儲材料 的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，同樣采用雙靶共濺射的方法用Mn和Ge2Sb2Te5兩個相 對獨立的靶材在透射電鏡載網(wǎng)上制備出Mn-Ge2Sb2Te5相變薄膜材料。濺射時 的氬氣氣壓為0.5Pa,Mn和Ge2Sb2Te5靶上的功率分別為直流60瓦和射頻100瓦，通過控制濺射時間可以控制制備出的相變薄膜材料的厚度。X熒光光譜分析表明材料的成分為Mn。.35(Ge2Sb2Te5),。將得到的Mno.35(Ge2Sb2Te5)o.65相變薄膜材料在高純氬氣氣氛的保護(hù)中， 在300度的溫度下進(jìn)行退火。圖1所示為退火處理前后用交流梯度磁強(qiáng)計測 得樣品的磁滯回線(已將硅襯底扣除)。由圖可見，MnG.35(Ge2Sb2Te5),材料 在相變前后有著較大的磁性差異，非晶態(tài)的MnG.35(Ge2Sb2Te5)。.65薄膜表現(xiàn)為 明顯的順^茲性，當(dāng)該材料處于晶態(tài)時則表現(xiàn)為反鐵磁性。當(dāng)給與一個外部能 量，相變材料會在晶態(tài)和非晶態(tài)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，同時也在反鐵磁和順磁 之間變化。也就是說在通過電阻變化來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和讀取的同時也可以 通過磁性的變化來完成數(shù)據(jù)的存儲和讀取，或者同時進(jìn)行多級存儲以加大存 儲密度，提高存儲容量。圖2為相變薄膜材料Ge2Sb2Te5分別在非晶狀態(tài)下以及300度退火后晶態(tài) 下的磁滯回線，該圖表明相變薄膜材料Ge2Sb2Tes本身不具有磁性存儲的功 能。本發(fā)明中的存儲材料在相變前后i茲性的改變完全來自于i茲性元素的摻雜。圖3(a)為本發(fā)明的相變薄膜材料Mna35(Ge2Sb2Te5)。.65在透射電子顯微鏡 (TEM)中的初始形貌像以及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖。從選區(qū)電子衍射圖譜 上看，磁控濺射出的薄膜材料為典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)著較高的電阻態(tài)。 將該樣品在TEM中進(jìn)行原位的加熱實驗發(fā)現(xiàn)該材料存在著相變行為，隨著溫 度的升高，薄膜由非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^低電阻的多晶結(jié)構(gòu)，晶化溫度約為 220度，如圖3(b)。圖3(d)為將樣品在電鏡中原位加熱至300度后的明場形貌 像以及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射。從圖中可以看出，此時相變薄膜材料 Mn0.35(Ge2Sb2Te5)0.65已經(jīng)完全表現(xiàn)出多晶態(tài)結(jié)構(gòu)，熱驅(qū)動可以誘發(fā)出相變材料 由非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。多晶態(tài)的Mno.35(Ge2Sb2Te5)o.65相變薄膜材料的晶 粒大小均勻，尺寸大約為5-10nm,預(yù)示著本發(fā)明的材料在實際應(yīng)用中將擁有 不俗的表現(xiàn)。實施例2采用雙靶共濺射的方法用Co和Ge2Sb2Te5兩個相對獨立的耙材在硅襯底 上制備出Co-Ge2Sb2Tes相變薄膜材料。濺射時的氬氣氣壓為0.5Pa， Co和 Ge2Sb2Te5靶上的功率分別為射頻200瓦和射頻100瓦，通過控制賊射時間可以控制制備出的相變薄膜材料的厚度。X熒光光譜分析表明材料的成分為Co0.04(Ge2Sb2Te5)o.96 。將得到的Co,(Ge2Sb2Te5),相變薄膜材料在高純氬氣氣氛的保護(hù)中，在 300度的溫度下進(jìn)行退火。圖4所示為退火處理前后用交流梯度磁強(qiáng)計測得的 樣品的磁滯回線及放大后的局部磁滯回線(已將硅襯底扣除)。由圖可見， Co謹(jǐn)(Ge2Sb2Te5)o.96材料在相變前后同樣有著較大的磁性差異，即使在磁場只 有幾十Oe的情況下，兩者的》茲化強(qiáng)度也至少差十倍以上，完全可以應(yīng)用于^茲 性存儲。
權(quán)利要求
1.一種用于信息存儲的(GeTe)a(Sb2Te3)b基稀磁半導(dǎo)體材料，其特征在于對(GeTe)a(Sb2Te3)b合金進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量大于0小于40％，摻雜元素為磁性元素鐵、鈷、鎳、錳或稀土元素中的一種，或為幾種元素的混合摻雜；其中a和b的比值為0.5、1或2，或者b＝0。
全文摘要
一種用于信息存儲的(GeTe)<sub>a</sub>(Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>)<sub>b</sub>基稀磁半導(dǎo)體材料，其特征在于對(GeTe)<sub>a</sub>(Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>)<sub>b</sub>合金進(jìn)行摻雜，摻雜劑量原子百分含量大于0并且小于40％，摻雜元素為磁性元素鐵、鈷、鎳、錳或稀土元素中的一種，或為幾種的混合摻雜。本發(fā)明是在外部能量的作用下可實現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變的材料。該材料在發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變的前后可以實現(xiàn)電阻值在2倍至幾個數(shù)量級范圍內(nèi)的變化；同時，該材料在可逆轉(zhuǎn)變前后的光反射率不同；進(jìn)一步，該材料在可逆轉(zhuǎn)變前后的會發(fā)生磁性的變化或兩者的磁化強(qiáng)度有著一定的差別，當(dāng)磁探測器掃描過時，非晶相和晶體相這兩個不同區(qū)域中記錄的不同磁信號就被探測出來或被轉(zhuǎn)換成電信號探測出來，并分別被表達(dá)為0和1，可應(yīng)用于相變存儲、光存儲和磁存儲。
文檔編號H01F1/40GK101630559SQ200910088519
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者澤 張, 巖 成, 戴亞南, 韓曉東 申請人:北京工業(yè)大學(xué)