一种用于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
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微电子技术领域的材料，尤其涉及一种用于高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料。
【背景技术】
[0002]近年来，相变存储器(PCRAM)受到越来越多研究者的关注，是目前存储器研究的一个热点，被认为是最有希望成为下一代主流的存储器。相变存储器的原理是利用存储介质在电脉冲的作用下产生的焦耳热使存储介质在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转化来实现信息的写入和擦除，信息的读出是通过测量存储器的电阻值来实现的。PCRAM具备存储密度高、功耗低、读取速度快、稳定性强、与传统的CMOS工艺兼容等优点。此外，PCRAM存储技术具有抗强震动、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(GST)是目前研究最多的相变存储材料，具有较好的综合性能。但是GST在相变时有较大的密度变化(在晶化和相转变后分别增加了 6.8%和8.8%)，影响到了器件的可靠性；由于GST的结晶温度较低(约168°C )，以传统GST材料为存储介质的PCRAM存储单元的数据只能够在88.9°C下保存10年，在高温下的数据保存寿命短；另外，随着工艺尺寸的缩小，集成密度的提高，器件单元之间热串扰问题也随之加剧。只具有高低两个电阻态的GST材料具有很大的提高空间。GaSb的结晶温度较高，约为270°C，Sb4Te具有较快的晶化速度，但是结晶温度较低，约为140°C，因此可以采用两种相变材料进行多层复合，提高在高温下的数据保持力，同时，利用不同材料的晶化温度不同，实现多级相变，从而提高存储密度。目前，国内外还没有公开任何关于将GaSb与Sb4Te结合用于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的相关研究报道。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现多级存储，且具有较高数据保持力温度的用于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
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种用于高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料，所述的多层纳米复合薄膜材料的化学结构式为[GaSb/Sb4Te]x，其中单层GaSb薄膜的厚度为4nm，单层Sb4Te薄膜的厚度为6nm ；x表示单层GaSb和单层Sb4Te薄膜的交替周期数或者交替层数，取值为1-15之间的任一整数。
[0005]所述的多层纳米复合薄膜材料由GaSb合金革E和Sb4Te合金革E在磁控派射镀膜系统中通过双靶交替溅射获得，其单层GaSb和单层Sb4Te薄膜交替排列成多层膜结构，x=12。
[0006]—种用于高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料的制备方法，具体步骤如下:
在磁控溅射镀膜系统中，采用清洗过的石英片或氧化硅片衬底，将GaSb合金靶材安装在磁控射频溅射靶中，将Sb4Te合金靶材安装在直流溅射靶中，将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至室内真空度达到2.0X10 4Pa，然后对GaSb合金靶和Sb4Te合金靶分别进行10分钟的预溅射，控制GaSb合金靶的溅射功率为20W，Sb4Te合金靶的溅射功率为15W，在室温交替溅射GaSb薄膜和Sb4Te薄膜，直至溅射总厚度为120nm，即得到GaSb/Sb4Te多层纳米复合薄膜材料，其化学结构式为[GaSb/Sb4Te]x，其中单层GaSb薄膜的厚度为4nm，单层Sb4Te薄膜的厚度为6nm ;x表示单层GaSb和单层Sb4Te薄膜的交替周期数或者交替层数，取值为1-15之间的任一整数。
[0007]所述的衬底为Si02/Si (100)基片，所述的溅射靶材为GaSb和Sb4Te，所述的溅射气体为高纯氩气。
[0008]所述的GaSb和Sb4Te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 4 Pa。
[0009]所述的GaSb合金革E的派射速率为2.lnm/min，所述的Sb4Te合金革E的派射速率为3.8nm/min。
[0010]与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明首次公开了用于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，该GaSb/Sb4Te多层纳米复合薄膜材料具有高、中、低三个电阻态，能够实现多级存储，极大提高存储器的存储密度；GaSb/Sb4Te多层纳米复合薄膜材料具有较高的十年数据保持力温度，可以提高存储器热稳定性。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te以及单层相变薄膜GaSb和Sb4Te的电阻随加热温度的变化曲线；
图2为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te以及单层相变薄膜Ge2Sb2Ted^激活能和数据保持力计算结果图；
图3为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te的X射线反射图；
图4为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te的X射线反射图的拟合曲线；
图5为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te相变存储器的I_V特性曲线；
图6为本发明的多层纳米复合薄膜GaSb/Sb4Te相变存储器的R_V特性曲线。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0013]一、具体实施例实施例1
一种用于高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料，该多层纳米复合薄膜材料的化学结构式为[GaSb/Sb4Te]x，式中单层GaSb薄膜的厚度为4nm，单层Sb4Te薄膜的厚度为6nm ；x表示单层GaSb和单层Sb4Te薄膜的交替周期数或者交替层数，x可以取1_15之间的任一整数。
[0014]实施例2
上述实施例1用于高密度相变存储器的多层纳米复合薄膜材料的制备方法步骤如下:在磁控溅射镀膜系统中，采用清洗过的石英片或氧化硅片衬底，将GaSb合金靶材安装在磁控射频溅射靶中，将Sb4Te合金靶材安装在直流溅射靶中，将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至室内真空度达到2.0X10 4Pa，然后对GaSb合金靶和Sb4Te合金靶分别进行10分钟的预溅射，控制GaSb合金靶的溅射功率为20W，Sb4Te合金靶的溅射功率为15W，在室温交替溅射GaSb薄膜和Sb4Te薄膜，直至溅射总厚度为120nm，即得到GaSb/Sb4Te多层纳米复合薄膜材料，其化学结构式为[GaSb/Sb4Te]x，式中单层GaSb薄膜的厚度为4nm，单层Sb4Te薄膜的厚度为6nm ;x表示单层GaSb和单层Sb4Te薄膜的交替周期数或者交替层数，x=12，X也可以取1-15之间的其他任一整数。
[0015]上述衬底为Si02/Si (100)基片，溅射靶材为GaSb和Sb4Te，溅射气体为高纯氩气；GaSb和Sb4Te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 4 Pa ；GaSb合金革E的派射速率为2.lnm/min, Sb4Te合金革E的派射速率为3.8nm/min。
[0016]实施例3
上述具体实施例2中多层纳米复合薄膜材料的制备方法具体步骤如下:
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
a)在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯队吹干表面和背面；
c)在80°C烘箱内烘干水汽，约20分钟；
2、采用磁控溅射方法制备GaSb/Sb4Te多层复合薄膜前准备
a)装好GaSb和Sb4Te溅射靶材，靶材的纯度均达到99.999% (原子百分比)，并将本底真空抽至2.0X10 4 Pa ；
b)设定射频靶溅射功率20W，直流靶溅射功率15W;
c)使用高纯Ar作为派射气体(体积百分比达到99.999%)，设定Ar气流量为30sccm，并将溅射气压调节至0.2Pa ;
3、采用磁控交替溅射方法制备GaSb/Sb4Te多层复合薄