复合相变薄膜材料（Si/Ge2Sb2Te5/Si）n及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子技术领域的相变薄膜材料，具体涉及一种复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si )n 及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着多媒体计算机网络在全球的延伸和普及，储存介质的开发与研究越来越受到人们的重视。Ge2Sb2Te5(简称GST)是目前大家公认的、研究最多、最为成熟的相变材料，极为符合商用存储器的需求。但是，Ge2Sb2Te5目前仍然有许多性质缺陷或不足亟待解决，其较低的结晶温度和较差的热稳定性使得GST的数据保持力不尽人意，存在很多有待改善和提高的地方(Loke，D.等，Science, 2012,336(6088): 1566)。比如，Ge2Sb2Ted^膜的晶化温度只有160°C左右，仅能在85°C的环境温度下将数据保持10年，其次，Ge2Sb2Te5薄膜以形核为主的晶化机制使得其相变速度较慢，无法满足未来高速、大数据时代的信息存储要求。这些问题阻碍了其进一步的产业化。
[0003]人们对Ge2Sb2Te5提出了各种不同的优化方法，例如通过掺杂其他元素或在两层Ge2Sb2Te5之间穿插其他薄膜层来改性。
[0004]关于掺杂其他元素的方式，中国专利文献CN1 0 1 1 09056 B(申请号200710042918.2)公开了一种铝掺杂相变薄膜材料Alx(Ge2Sb2Te5)1.X，其中0<x< 5，制备时使用磁控溅射镀膜系统，将金属铝靶材与Ge2Sb2TegE材分别安装在一磁控直流溅射靶和一磁控射频溅射靶中，通过退火来实现薄膜在各温区的相变。
[0005]关于在两层Ge2Sb2Te5之间穿插其他薄膜层来改性的方式，中国专利文献CN102832340 B(申请号201210335211.1)公开了一种相变存储器单元，包括Ge-Sb-Te相变材料层，所述Ge-Sb-Te相变材料层中穿插设有多层又到相变材料结晶的锑薄膜;制备方法是
I)在制备好加热电极衬底上沉积Ge-Sb-Te相变材料层;2)在该Ge-Sb-Te相变材料层上沉积锑薄膜;3)在所述锑薄膜上沉积另一Ge-Sb-Te相变材料层;4)重复步骤2)至步骤3)n次，η为整数。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种用于相变存储器的相变速率、热稳定性可控的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)^其制备方法。
[0007]实现本发明目的的技术方案是一种复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n，由η组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元组成，每一组复合薄膜单元包括两层Si纳米薄膜和一层Ge2Sb2Te5纳米薄膜，Ge2Sb2Te5薄膜的两侧表面由Si薄膜完全包覆；相邻的两组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元共用一层Si薄膜。
[0008]上述组成复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)J^Si纳米薄膜的厚度为2nm?10]1111，6623匕2了65纳米薄膜的厚度为2111]1?1011111;11为正整数。
[0009]上述复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n*，所有Si纳米薄膜的厚度与所有Ge2Sb2Te5纳米薄膜的厚度相同。
[0010]—种如上所述的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^/^lj备方法，包括以下步骤:
①基片的准备，将基片洗净烘干待用。
[0011]②磁控溅射的准备，将步骤①洗净的待溅射的基片放置在基托上，将Si和Ge2Sb2Te5作为溅射靶材分别安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空，使用高纯氩气作为溅射气体。
[0012]@磁控派射制备[5；^)/6623&2了65(1)/3；[(1)] η多层复合薄膜，首先清洁Si革E材和Ge2Sb2TedE材表面，清洁完毕后，将待溅射的基片旋转到Si靶位，溅射结束后得到Si薄膜层;Si薄膜层溅射完成后，将已经溅射了 Si薄膜层的基片旋转到Ge2Sb2Te5靶位，溅射结束后得到Ge2Sb2Te5薄膜层;重复上述派射Si层和Ge2Sb2Te5层的操作n_l次，然后在最表面一层的6623匕2了65薄膜上再派射一层3；1薄膜，即得到[3；[(1)/6623匕2了65(1)/3；[(1)] η复合相变薄膜材料。
[0013]上述步骤③中Si层溅射速率为0.4?0.5nm/s,Ge2Sb2Te5层溅射速率为0.35 nm/s?0.45nm/so
[0014]本发明具有积极的效果:本发明的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^n组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元组成，每一组复合薄膜单元包括两层Si纳米薄膜和一层Ge2Sb2Te5纳米薄膜，Ge2Sb2Te5薄膜的两侧表面由Si薄膜完全包覆；相邻的两组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元共用一层Si薄膜;或者说复合相变薄膜材料中一共包含了 η层Ge2Sb2Te5薄膜，每一层Ge2Sb2Te5薄膜的两侧都由一层Si薄膜完全包覆。
[0015]传统Ge2Sb2Te5相变材料具有较低的热胀系数以及易形变的特点，升温后首先经历缓慢的热膨胀，随之在相变温度(约160°C)附近发生剧烈的结构相变并伴随急剧的体积收缩效应。
[0016]本发明的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n具有非晶和多晶结构，且都具有独立的Si相和Ge2Sb2Te5相;本发明的复合相变薄膜材料能够在外部提供能量(或升温)的情况下实现可逆的非晶和多晶结构相变，伴随产生可逆的高阻与低阻态转。
[0017]本发明的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n利用了S1-Ge2Sb2Te5界面效应与应力调控相变特性，使用的Si纳米薄膜具有相对较高的热胀系数，其在升温过程中对Ge2Sb2Te5提供一个张应力，并在Ge2Sb2Te5相变时阻碍其结构的收缩，从而能显著调控Ge2Sb2Te^相变温度和相变速率，因此本发明的复合相变薄膜材料由于Si/Ge2Sb2Te5界面效应的存在，以及升温、相变过程中Si与Ge2Sb2Te5热胀系数的失配导致在界面产生的应力作用，表现出不同于Ge2Sb2TeJ^相变温度和相变速率，具有优异、可靠和可控的相变性能，能够实现结晶温度、结晶速率、热稳定性、数据保持力的调控，同时还可以调控晶态电阻。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)r^结构示意图；
图2为实施例1的复合相变薄膜材料在不同升温速率下的电阻与温度关系曲线；
图3为本发明的复合相变薄膜材料在不同厚度下的电阻与温度关系曲线；
图4为本发明的复合相变薄膜材料在不同厚度下的激活能； 图5为本发明的复合相变薄膜材料在不同厚度下的数据保持力；
图6为本发明的复合相变薄膜材料在不同厚度下的Raman特性；
上述附图中的标记如下:衬底I，Si纳米薄膜2，Ge2Sb2Te5纳米薄膜3。
【具体实施方式】
[0019](实施例1)
见图1，本实施例的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n为多层膜结构，由η组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元组成，每一组复合薄膜单元包括两层Si纳米薄膜2(以下简称Si薄膜)和一层Ge2Sb2Te5纳米薄膜3(以下简称Ge2Sb2Te5薄膜)，Ge2Sb2Te5薄膜3的两侧表面由Si薄膜2完全包覆;相邻的两组Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元共用一层Si薄膜2;或者说复合相变薄膜材料中一共包含了 η层Ge2Sb2Te5薄膜3，每一层Ge2Sb2Te5薄膜3的两侧都由一层Si薄膜2完全包覆。
[0020]组成复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n的所有Si纳米薄膜2的厚度与所有Ge2Sb2Te5纳米薄膜3的厚度相同，Si纳米薄膜2的厚度为2nm?10nm，Ge2Sb2Te5纳米薄膜3的厚度为2nm?1nm 纳米薄膜2中Si含量99.999%以上，Ge2Sb2Te5纳米薄膜3中Ge2Sb2Te5含量99.999%以上。
[0021]上述复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n的膜结构用通式[Si (x)/Ge2Sb2Te5(x)/Si(x)] η表示，其中X为单层Si薄膜层和Ge2Sb2Te5薄膜的厚度，2nm < x < 10nm，n为Si/Ge2Sb2Te5/Si复合薄膜单元的组数，η为正整数。
[0022]本实施例的复合相变薄膜材料(Si/Ge2Sb2Te5/Si)n为[Si (1nmVGe2Sb2Te5
(10]1111)/3；[(1011111)]1()，采用3；[和6623&2了65作为革[11材，交替派射制得。
[0023]具体制备方法包括以下步骤:
①基片的准备。选取尺寸为5mm X 5mm的Si02/Si (100)基片I，先在超声清洗机中将基片在丙酮(纯度为99%以上)中超声清洗3?5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗;接着在超声清洗机中将基片在乙醇(纯度在99%以上)中超声清洗3?5分钟，洗毕取出用去离子水冲洗，冲洗干净后用高纯N2吹干表面和背面；吹干后的基片送入烘箱中烘干水汽，烘干后的基片待用，其中烘箱温度设置为120°C，烘干时间20分钟。
[0024]②磁控溅射的准备。
[0025]在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中，将步骤①准备的待溅射的Si02/Si(100)基片放置在基托上，将Si(原子百分比99.