一种Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料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的材料，具体涉及一种Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]相变存储器(PCRAM)是利用硫系化合物材料在晶态-非晶态之间转换从而实现信息存储的一种新型非挥发性存储器。当相变材料处于非晶态时具有高电阻，晶态时具有低电阻，利用电脉冲产生的焦耳热实现高阻态与低阻态之间的重复转换，达到信息存储的目的。它具有读取速度快、稳定性强、功耗低、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容等优点，因而受到越来越多的研究者的关注。
[0003]Ge2Sb2TeJg变材料因其性能优异，是当前研究最多、应用最广的相变存储材料。近年来，为了实现更高稳定性、更快相变速度的目的，越来越多的新型相变存储材料被不断开发出来。Peng等开发出了 Ge-Sb-Te相变材料，不但具有小于1ns的较快相变速度，而且在124°C高温下能够将数据保持10年时间，具有较好的热稳定性(具体内容详见2011年第4期第99卷Applied Physics Letters第043105-1至043105-3页)丄11等开发出了具有超长数据保持能力的Ga14Sb86合金，其10年数据保持温度达到162°C，可用于高温环境下的数据存储(具体内容详见2011 年第6期第 109卷JournGe Of Applied Physics第064503-1 至064503-3页)。另外，S1-Sb-Te、In-Te、Cu-Sb_Te等相变材料也得到了研究，具有较好的存储性能。
[0004]传统的Ge2Sb2Tejg变材料中含有Te元素，Te材料熔点低、易挥发，而且具有毒性，容易污染半导体行业的生产线，对人体和环境也存在不良影响，这些都阻碍了 PCRAM的产业化推进。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有传统的Ge2Sb2Tejg变材料的缺陷，提供不含有Te元素、具有超高的热稳定性、较低的功耗和较快的相变速度的Ge-Sb-Se相变存储材料，并提供上述材料的制备方法和应用。
[0006]本发明第一方面提供一种Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料，所述Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料是由锗、锑、砸三种元素组成。
[0007]优选的，所述Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料的化学通式为:GexSb(1Q()—x)/2Se(1(x)—x)/2，其中 10〈x〈30。
[0008]本发明所提供的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料可根据需要制备成各种厚度的相变材料，并不局限于纳米相变薄膜材料。
[0009]优选的，所述Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料的厚度为98?102nm。
[0010]本发明第二方面提供一种Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料的制备方法，所述制备方法选自磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)等本领域技术人员熟知的相变薄膜材料的制备方法。
[0011]优选的，所述制备方法选自磁控溅射法。
[0012]优选的，所述磁控派射法的具体方法为:革E材为GexSb(IQt)-x)/2Se(iQQ—x)/2复合革E，10〈x〈30，即在Sb5QSe5Q靶中心叠放Ge片，溅射气体为高纯Ar气，本底真空度小于I X 10—4Pa，溅射功率为15?25W。
[0013]优选的，所述溅射功率为20W。
[0014]优选的，所用的衬底为Si02/Si(100)基片。
[0015]较佳的，所述Ar气的纯度为体积百分比99.999 %以上，气体流量为25_35sccm，溅射气压为0.15?0.25Pa;
[ΟΟ??] 优选的，所述Ar气的气体流量为30sccm，派射气压为0.2Pa。
[0017]优选的，所述3&5()365()革[11的原子百分比纯度大于99.999%，所述Ge片的原子百分比纯度大于99.999%，形状为圆形。
[0018]本发明的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料，采用高真空磁控溅射的方法沉积而成。通过叠放的Ge片的直径来控制GexSb(ItX)-x)/2Se(itx)—x)/2中Ge的成分比。
[0019]本发明第三方面提供一种Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料在高稳定相变存储器领域的应用。
[0020]本发明所述的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料表现出明显的非晶态-晶态的相变过程，而且其晶化温度和RESET电阻均随Ge含量的增加呈单调增加趋势。
[0021]本发明所述的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜的厚度可以通过溅射时间来调控。
[0022]优选的，所述的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料的制备方法，具体包括以下步骤:
[0023]I)清洗 Si02/Si(100)基片；
[0024]2)安装好溅射复合靶材;设定溅射功率，设定溅射Ar气流量及溅射气压；
[0025]3)采用室温磁控溅射方法制备Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料；
[0026]a)将空基托旋转到GexSbu.x)/2Se(1(K)—x)/2复合靶靶位，打开靶上的直流电源，依照设定的派射时间(如100s)，开始对GexSb(iQQ-x:i/2Se(i(X)-x:)/2复合革E材表面进行派射，清洁革巴位表面；
[0027]b)GexSb(1Q—x)/2Se(1Q—x)/2复合革巴表面清洁完成后，关闭GexSb(IQt)-x)/2Se(1Q—x)/2复合革巴革巴位上所施加的直流电源，将待派射的基片旋转到GexSbuoQ-x:i/2Se(i()()-x:)/2革E位，打开GexSb(ItX)-x)/2Se(1Q—x)/2复合革E革EU立上的直流电源，依照设定的派射时间，开始派射Ge-Sb-Se薄膜；
[0028]4)重复步骤2)和3)两步，更换不同直径的Ge片，在Si02/Si(100)基片上分别制备出 Ge1Sb45Se45、Ge2oSb4()Se4()和 Ge3oSb35Se35 纳米相变薄膜材料。
[0029]本发明的Ge-Sb-Se纳米薄膜材料能够应用于相变存储器，与传统的相变薄膜材料相比具有如下优点:首先，Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度，能够大大提高PCRAM的存储速度;其次，Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料具有较高的激活能，从而能够极大的改善PCRAM的热稳定性;再次，Ge-Sb-Se相变材料中不含有有毒、易挥发的Te元素，因而相比传统的Ge2Sb2Te5材料，对人体和环境的影响较小。
【附图说明】
[0030]图1为本发明实施例所提供的Ge1Sb45Se45、Ge2oSb4()Se4()、Ge3()Sb35Se35与对比样品Sb5QSe5Q纳米相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线。[0031 ]图 2 为本发明实施例的 Ge1Sb45Se45、Ge2oSb4oSe4()、Ge3oSb35Se35与对比样品 SbsoSeso纳米相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。
【具体实施方式】
[0032]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0033]须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置;所有压力值和范围都是指绝对压力。
[0034]此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0035]实施例1
[0036]本实施例中制备的Ge-Sb-Se纳米相变薄膜材料结构具体为Ge1QSb45Se45，制备步骤为:
[0037]1.清洗Si02/Si(100)基片，清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；
[0038]a)在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；
[0039 ] b)在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯他吹干表面和背面；
[0040 ] c)在120°C烘箱内烘干水汽，约20分钟。
[0041 ] 2.采用直流溅射方法制备Ge1OSb45Se45薄膜前准备:
[0042]a)装好Sb5oSe5Q派射革El材，将直径为1mm的Ge片叠放在SbsoSeso革El材的中心构成复合靶材。Sb5QSe5Q和Ge片的纯度均达到99.999