一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料，其化学通式为Sn15Sb85Nx，其中x为氮气流量值，其单位为sccm，掺氮Sn15Sb85采用室温磁控溅射方法制备，通过在射频溅射沉积Sn15Sb85薄膜的过程中同时通入氩气和氮气。本发明的制备方法是通过控制Ar与N2的气体流量而获得具有不同N原子含量的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料，制备过程中的其他条件也不可忽视，对最终获得的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料中的N原子的含量大小也起一定的影响作用。本发明的掺氮Sn15Sb85纳米薄膜材料能够应用于相变存储器，具有较高的晶化温度和晶化电阻，能够大大提高PCRAM的热稳定性。
【专利说明】一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子【技术领域】的存储材料，具体涉及一种用于快速低功耗高稳定性的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]相变存储器(PCRAM)是利用材料从晶态向非晶态来回转换时电阻也随之在高阻与低阻间变换，两个阻态分别代表“O”和“1”，从而实现信息存储的目的。它具有非挥发性、循环寿命长、读取速度快、稳定性好、高密度存储、功耗低和可嵌入功能强等优点，因而被认为是最有应用前景的下一代存储技术。
[0003]有研究表明，与传统的Ge2Sb2Te5相变材料相比，SnSb类合金具有更快的相变速度，更高的结晶温度和更好的稳定性(Feng Rao等,Applied Physics Letters,95, 032105,2009)。通过在相变材料中掺入适量的N原子或O原子可以减小晶粒尺寸，增加晶界数量，从而增加晶态电阻、提闻晶化温度，最终提闻了材料的热稳定性。SnTe惨氣后提闻了材料热稳定性(Xia等,Chinese Phys.Lett.30, 037401, 2013), Sb2Te掺氮后,热稳定性大大提高，能耗较之 Ge2Sb2Te5 低了 10 倍(Min Zhu 等,Journal of Alloys and Compounds, 509,10105 - 10109,2011)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服Sn15Sb85合金热稳定性不高的缺点，提供一种能够提高相变材料稳定性，同时降低其操作功耗的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料及其制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料，其化学通式为Sn15Sb85Nx,简写为SnSbNx，其中x为氮气流量值，其单位为seem。
[0006]所述X 为 1、2、3 或 4。
[0007]一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，所述掺氮Sn15Sb85采用室温磁控溅射方法制备，通过在射频溅射沉积Sn15Sb85薄膜的过程中同时通入氩气和氮气，具体包括以下步骤:
[0008](I)清洗 Si02/Si (100)基片；
[0009](2)安装好溅射靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气和N2气的气体流量及溅射气压；
[0010](3)采用室温磁控溅射方法制备SnSbNx纳米相变薄膜材料:
[0011]a)将空样品基托旋转到Sn15Sb85靶位，打开Sn15Sb85靶上的射频电源，在起辉气压0.25Pa下打开革巴挡板起辉；
[0012]b)起辉后，关闭靶挡板，将待溅射的基片旋转到Sn15Sb85靶位，改变Ar气和N2气的流量比例，慢慢调节溅射气压为4X KT1Pa,打开Sn15Sb85靶位上的靶挡板，依照设定的溅射时间100s，开始溅射SnSbNx薄膜；溅射完毕后获得所述的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料。
[0013]所述Ar气和N2气的气体流量比为:(26?29): (I?4)。
[0014]所述Ar气和N2气的纯度大于体积百分比99.999%。
[0015]所述Sn15Sb85靶材的纯度在原子百分比99.999 %以上，本底真空度不大于6 X KT4Pa。
[0016]所述Sn15Sb85靶材都采用射频电源，溅射功率为30W，溅射气压均为4X KT1Pa15
[0017]纯Sn15Sb85合金的晶化温度为150°C左右，晶化激活能为2.8696eV,晶态电阻偏低，其薄膜材料数据保持10年的温度只有88°C。与纯的Sn15Sb85合金相比，本发明的掺氮合金较好的解决了 Sn15Sb85材料的缺点和不足。通过掺入氮原子，使Sn15Sb85的晶化温度有了明显的提高，数据保持能力得到加强，因而提高了其稳定性。同时通过晶态电阻的提高，使得其RESET功耗降低了。总之，通过掺氮，使Sn15Sb85合金成为了一种高速、高稳定性、低功耗的相变材料，从而具有较好的市场应用前景。
[0018]本发明的制备方法是通过控制Ar与N2的气体流量而获得具有不同N原子含量的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料，制备过程中的其他条件也不可忽视，对最终获得的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料中的N原子的含量大小也起一定的影响作用。
[0019]本发明的掺氮Sn15Sb85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，SnSbNx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，SnSbNx纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度和激活能，从而能够极大的改善PCRAM的稳定性；再次，相比未掺氮的Sn15Sb85薄膜材料，Sn15Sb85Nx纳米相变薄膜材料具有更高的非晶态和晶态电阻，从而可以有效降低PCRAM操作功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的Sn15Sb85Nx (X = 1,2,3,4)纳米相变薄膜材料及用于对比的Sn15Sb85薄膜相变材料的原位电阻与温度的关系曲线。
[0021]图2为本发明的Sn15Sb85Nx (X= 1,2,3,4)纳米相变薄膜材料及用于对比的Sn15Sb85薄膜相变材料失效时间与温度倒数的对应关系曲线。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]实施例1
[0024]本实施例中制备的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料结构具体为
[0025]Sn15Sb85N10
[0026]制备步骤为:
[0027]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；
[0028]a)在乙醇溶液中强超声清洗10分钟；
[0029]b)用吹风机温热档吹干乙醇残留液体，约30分钟。
[0030]2.采用射频溅射方法制备Sn15Sb85N1薄膜前准备:
[0031 ] a)装好Sn15Sb85溅射靶材，靶材的纯度达到99.999 % (原子百分比)，并将本底真空抽至5 X KT4Pa ；
[0032]b)设定溅射功率30W ；
[0033]c)使用高纯Ar和高纯N2作为溅射气体(体积百分比均达到99.999% ),设定Ar气流量为29sccm，N2流量为lsccm，并将起辉气压调节至0.25Pa。
[0034]3.采用磁控溅射方法制备Sn15Sb85N1纳米相变薄膜材料:
[0035]a)将空样品托旋转到Sn15Sb85靶位，打开Sn15Sb85靶上所施加的射频电源，打开靶挡板进行起辉，并对Sn15Sb85靶材进行溅射，清洁Sn15Sb85靶材表面；
[0036]b) Sn15Sb85靶材表面清洁完成后，关闭靶挡板，缓慢将溅射气压调节至4 X KT1Pa,将待溅射基片旋转到Sn15Sb85靶位，开启靶挡板，依照设定的溅射时间100s，开始溅射掺氮Sn15Sb85 薄膜。
[0037]实施例2
[0038]制备本实施例的SnSbNx纳米相变薄膜材料，其具体结构分别为Sn15Sb85N2、Sn15Sb85N3 和 Sn15Sb85N4,制备方法与实例 I 相同，且所述纳 Sn15Sb85N2' Sn15Sb85N3 和 Sn15Sb85N4纳米相变薄膜材料的溅射时间都为100s。只是制备Sn15Sb85N2纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为28SCCm，N2流量为2SCCm，其他结构的薄膜制备方法以此类推。
[0039]对比例Sn15Sb85薄膜
[0040]本对比例中制备单层Sn15Sb85相变薄膜材料，溅射时间也为100s。
[0041]制备步骤和方法与实例I相同，只是制备Sn15Sb85纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为 30sccm, N2 为 Osccm。
[0042]将上述实施例1 和 2 的 Sn15Sb85N1, Sn15Sb85N2, Sn15Sb85N3 和 Sn15Sb85N4 和对比例中的Sn15Sb85相变薄膜材料进行测试，得到各相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图1 ;将上述实施例1 和 2 的 Sn15Sb85N1' Sn15Sb85N2、Sn15Sb85N3 和 Sn15Sb85N4 和对比例中的 Sn15Sb85相变薄膜材料进行测试，得到各相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线图2。
[0043]图1、图2的检测结果如下:
[0044]图1为本发明的Sn15Sb85Nx纳米相变薄膜材料及用于对比的Sn15Sb85薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线，测试过程中的升温速率为10°C /min。在低温下，所有薄膜处于高电阻的非晶态。随着温度的不断升高，薄膜电阻缓慢降低，当达到其相变温度时，薄膜电阻迅速降低，到达某一电阻值后基本保持该值不变，表明薄膜发生了由非晶态到晶态的转变。测试结果表明，随着掺氮量的增加，薄膜的晶化温度和晶态电阻都随之不断增力口，材料的晶化温度由未掺氮时的150°C增加到了 Sn15Sb85N4的247°C，表明相变薄膜材料的热稳定性有了较大的提高；薄膜的晶态电阻由未掺氮时的225 Ω增加到了 Sn15Sb85N4的2.5Χ103Ω，扩大了 10倍，从而有效降低了 RESET过程的功耗。
[0045]图2为本发明的Sn15Sb85Nx (X= 1,2,3,4)纳米相变薄膜材料及用于对比的Sn15Sb85薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。根据业内的统一评判标准之一，利用相变材料将数据保持10年时对应的温度来评判材料的数据保持能力。可以看出，未掺氮的Sn15Sb85相变薄膜材料将数据保持10年的温度只有88°C，而本发明的Sn15Sb85NxU = 1,2,3,4)相变薄膜将数据保持10年的温度均得到了提高，其中Sn15Sb85N3纳米薄膜材料将数据保持10年的温度提高到了 173°c。传统的Ge2Sb2Te5薄膜材料将数据保持10年的温度为850C。也就是说，本发明的 Sn15Sb85N1,Sn15Sb85N2,Sn15Sb85N3 和 Sn15Sb85N4 具有比传统 Ge2Sb2Te5薄膜材料更加优异的数据保持能力。
[0046]上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述掺氮Sn15Sb85采用室温磁控溅射方法制备，通过在射频溅射沉积Sn15Sb85薄膜的过程中同时通入氩气和氮气，具体包括以下步骤: (1)清洗Si02/Si(100)基片； (2)安装好溅射靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气和N2气的气体流量及溅射气压； (3)采用室温磁控溅射方法制备SnSbNx纳米相变薄膜材料: a)将空样品基托旋转到Sn15Sb85靶位，打开Sn15Sb85靶上的射频电源，在起辉气压0.25Pa下打开革巴挡板起辉； b)起辉后，关闭靶挡板，将待溅射的基片旋转到Sn15Sb85靶位，改变Ar气和N2气的流量比例，慢慢调节溅射气压为4X KT1Pa,打开Sn15Sb85靶位上的靶挡板，依照设定的溅射时间10s,开始溅射SnSbNx薄膜；溅射完毕后获得所述的掺氮Sn15Sb85纳米相变薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述Ar气和N2气的气体流量比为:(26?29): (I?4)。
3.根据权利要求2所述的用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述Ar气和N2气的纯度大于体积百分比99.999%。
4.根据权利要求1所述的用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述Sn15Sb85靶材的纯度在原子百分比99.999%以上，本底真空度不大于 6Xl(T4Pa。
5.根据权利要求4所述的用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述Sn15Sb85靶材都采用射频电源，溅射功率为30W，溅射气压均为4X 1^1Pa0
6.一种根据权利要求1至5任一项所述方法制备的掺氮纳米薄膜材料，其特征在于:其化学通式为Sn15Sb85Nx,其中X为氮气流量值，其单位为seem。
7.根据权利要求6所述的掺氮纳米薄膜材料，其特征在于:所述X为1、2、3或4。
【文档编号】H01L45/00GK104393171SQ201410655783
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】袁丽, 胡益丰, 朱小芹, 吴卫华, 薛建忠, 张建豪 申请人:江苏理工学院