纳米复合堆叠相变薄膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子技术领域材料，尤其是涉及一种纳米复合堆叠相变薄膜及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]相变存储技术是近年才兴起的一种新概念存储技术，它是利用材料晶态-非晶态转换从而实现信息存储的一种新型非挥发性存储器，具有广阔的应用前景，被认为最有希望成为下一代主流存储器。与其他一些未来取代闪存的候选技术相比，PCRAM具有高的读速读写、高可靠性、低功耗、寿命长、循环擦写次数高等优点，同时能够兼容于COMS工艺(S.Laiand T.Lowrey:1EDM Tech.Dig.，2000，p.243)，技术实现难度和产业成本较低，并且能实现多级存储。除此之外，PCRAM存储技术在尺寸缩小方面具有更大优势，且具有抗强震动、抗辐射性能，在航天航空领域具有极其重要的应用前景。
[0003]Ge2Sb2Te5^目前研究最多的相变存储材料，具有较好的综合性能。虽然没有太大的缺点，但是存在很多有待改善和提高的地方(Seo ,Jae-Hee等，Journal of AppliedPhysics ,108,064515，2010)。比如，Ge2Sb2Te5薄膜只有高、低两个电阻态，对应逻辑上的“O”和“I”，在存储密度上有提高的空间；其次，Ge2Sb2Te5薄膜的热稳定性不是很高，晶化温度在150°C左右，十年数据保持温度大概为85°C，不能满足汽车电子及航空航天等行业的要求，因此其热稳定性有待提升。ZnSb具有很高的热稳定性，将其与传统的Ge2Sb2Te5通过堆叠的方式进行复合，可以大大提高材料整体的热稳定性。此外，还可以利用两种材料的晶化温度的巨大差异，使得二者在复合堆叠薄膜中各自独立晶化，实现多级相变，从而提高存储密度(Gyanathan，Α.等，JournaI of Applied Physics,110,124517,2011)ο
[0004]中国专利CN201210560124公开了一种用于高速高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料及其制备方法，为SbSe/Ga30Sb70纳米复合多层相变薄膜，由SbSe薄膜和Ga30Sb7Q薄膜交替排列成多层薄膜结构，总厚度大概为50nm，采用磁控溅射法制备得到，可使得相变存储器实现多级存储。与该专利相比较，本专利的多态特性更为明显，“O”态与“I”态之间高低阻差为103，“I”态与“2”态之间高低电阻差也达到102，更高的高低阻差有利于提高PCRAM的信噪比，从而提高存储信息的可靠性。且本专利中Ge2Sb2Te5/ZnSb薄膜第一次相变与第二次相变的温度差达到100°C，这对器件多级存储的可靠性有很大的益处。
[0005]中国专利CN103762308A公开了多态镓锑-砸化锡多层纳米复合相变材料及其制备和应用，由SnSe2薄膜和Ga3oSb7o薄膜交替排列成多层薄膜结构，其中SnSe2薄膜的厚度为5?35nm，Ga3QSb7Q薄膜的厚度为5?35nm;Ga3()Sb7()/SnSe2纳米复合多层相变薄膜的总厚度为50-70nm，采用磁控溅射法制备得到，可以应用在具有多态性能的高密度相变存储器中。与该专利相比较，本专利主要有以下几个优势:1.晶化速度快。基于[Ge2Sb2Te5 (35nm)/ZnSb(15nm) ]ι的器件可以在10ns的脉宽下实现可逆相变，而基于[Ga3oSb7Q(25nm)/SnSe2(25nm) ]ι的器件只能在1000ns的脉宽下实现可逆相变;2.功耗小。基于[Ge2Sb2Te5(35nm)/ZnSb(15nm)]1的器件两次SET电压分别为2.7V，3.8V;而基于[Ga3()Sb7()(25nm)/SnSe2(2511111)]!的器件两次SET电压则分别为8V，9V。阈值电压越小，说明器件的功耗越小。
[0006]中国专利CN 102354729A公开了用于多级存储相变存储器的Ge2Sb2Te5/Ga3QSb70纳米多层复合相变薄膜。本发明的Ge2Sb2Te5/Ga3QSb7()纳米多层复合相变薄膜材料中单层Ge2Sb2Te5薄膜和单层Ga3oSb7Q薄膜交替排列成多层膜结构，且单层Ge2Sb2Te5薄膜的厚度和单层Ga3QSb7Q薄膜的厚度均为10?133nm;所述Ge2Sb2Te5/Ga3QSb7()纳米多层复合相变薄膜材料的总厚度为90-200nm。与该专利相比较，本专利的优势在于:与Ga3OSb7Q相比，ZnSb具有更高的非晶态电阻，从而使得Ge2Sb2Te5/ZnSb薄膜的高低阻差值增大，更高的电阻差更高的高低阻差有利于提高PCRAM的信噪比。本专利的堆叠结构只有一个周期，在工艺上比Ge2Sb2Te5/Ga3QSb7()纳米多层复合相变薄膜更为简单，应用起来成本更低。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高相变存储器存储密度且提高热稳定性的Ge2Sb2Te5/ZnSb纳米复合堆叠相变薄膜及其制备方法和应用。
[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0009]纳米复合堆叠相变薄膜，由Ge2Sb2Te5薄膜和ZnSb薄膜交替排列成堆叠薄膜单元，所述的Ge2Sb2Te5薄膜的厚度为15-35nm，所述的ZnSb薄膜的厚度为15-35nm，交替排列成堆叠薄膜单元为一层结构。
[0010]优选的，Ge2Sb2Te5薄膜的厚度为25-35nm，ZnSb薄膜的厚度为25-35nm。
[0011]较优的，Ge2Sb2Te5/ZnSb纳米复合堆叠相变薄膜的厚度比为15:35,25:25或35:15。
[0012]最优的，66251321'65/21^13纳米复合堆叠相变薄膜的厚度比为35:15。
[0013]堆叠薄膜单元的厚度为50-70nm。
[0014]纳米复合堆叠相变薄膜的制备方法，采用以下步骤:
[0015](I)清洗Si02/Si(100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质；
[0016](2)安装好溅射靶材，设定射频功率，气体流量及溅射气压；
[0017](3)采用室温磁控溅射方法制备Ge2Sb2Te5/ZnSb纳米复合堆叠相变薄膜，具体采用以下步骤:
[0018](3-1)将基片旋转到Ge2Sb2TedWit，打开Ge2Sb2Te5的射频电源，以Ar气为溅射气体溅射Ge2Sb2Te5靶材，Ge2Sb2Te^膜溅射完成后，关闭Ge2Sb2Te5的射频电源；
[0019](3-2)将基片旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb的射频电源，以Ar气为溅射气体，溅射ZnSb靶材，ZnSb薄膜溅射完成后，关闭ZnSb的射频电源。
[0020]较优的，所述的662313:^65/211313靶材的纯度均在原子百分比99.999%以上，本底真空度不大于2x10—4Pa,所述的Ar气的纯度为体积百分比99.999%以上。
[0021]较优的，所述的Ge2Sb2TedPZnSb靶材溅射均采用射频电源，且溅射功率均为15-25W，最优为20W。
[0022]较优的，所述的Ar气的气体流量为25-35SCCM，最优为30SCCM;溅射气压为Ο.Ιδ-Ο^δΡα， 最优为 0.2Pa。
[0023]所述的单层Ge2Sb2Te5薄膜和单层ZnSb薄膜的厚度通过溅射时间来调控，Ge2Sb2Te5的溅射时间为250s，ZnSb的溅射速度为238s。
[0024]纳米复合堆叠相变薄膜可以在具有多级存储特点的相变存储器中的应用。
[0025]与现有技术相比，本发明制备得到的Ge2Sb2Te5/ZnSb纳米复合堆叠相变薄膜具有多级相变的特点。单一的Ge2Sb2Te5、ZnSb相变材料只具有非晶态和晶态两个用于存储的电阻态。本发明的Ge2Sb2Te5/ZnSb多层复合薄膜体系存在两个相变点，分别对应两种材料独立相变点，即Ge2Sb2Te5相变完成后，薄膜体系的电阻由高阻态变为中间电阻态，ZnSb相变完成后则由中间态变为低电阻态，三个电阻态分别对应逻辑上的“00”、“01”及“11”，如此能够在传统两个电阻态的基础上增加了一个中间电阻态，可以极大的提高相变存储器的存储密度。ZnSb具有很高的热稳定性，将其与传统的Ge2Sb2Te5通过堆叠的方式进行复合，可以大大提高材料整体的热稳定性，进而能大大改善PCRAM的热稳定性。本专利的多态特性明显，“O”态与“I”态之间高低阻差为103，“I”态与“2”态之间高低电阻差也达到102，更高的高低阻差有利于提尚PCRAM的彳目噪比，从而提尚存储彳目息的可靠性。
【附图说明】
[0026]图1为Ge2Sb2Te5/ZnSb纳米复合堆叠相变薄膜的电阻与温度的关系曲线；
[0027]图2为[GeAbAesUSnnO/ZnSbaSnm)]!纳米复合堆叠相变薄膜的失效时间与温度倒数的对应关系曲线；
[0028]图3为基于[GeAteTesUSnnO/ZnSbaSnm)]!薄膜PCRAM器件单元的1-V特性曲线。
[0029]图4为基于[662313:^65(3511111)/2113匕(1511111)]1薄膜?0?舰器件单元的1?-￥特性曲线。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图和特定的具