一种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，尤其是涉及一种用于高速高可靠性相变存储的 GesSb 92/Ga3(]Sb7。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，它利用相变薄膜材料作为存 储介质来实现数据存储，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C0MS工艺（S. Lai and T. Lowrey: IEDM 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] 相变存储器的操作速度主要受限于薄膜的晶化过程，因此加快薄膜的晶化速度才 能提高相变存储器的操作速度。由于生长占主导的结晶过程，GesSb9jPGa3(]Sb7。具有比传 统的Ge2Sb2Te5相变材料更快的结晶速度（L.vanPieterson:，AppliedPhysicsLetters， 2003(83) :1373-1375)。薄膜由非晶态转化到晶态（SET)过程中，原子有无序排列变为有序 排列，体积会有一定程度的收缩。相变薄膜的体积收缩率会影响器件中薄膜与电极的接触， 从而影响其可靠性。相比于Ge2Sb2Te5(6. 8% )，[06831392 (2511111)/^3。3137。(25111]1)]1堆叠薄膜 具有更小的体积收缩率（2.21% )，从而基于[GesSb92 (25nm)/Ga3(]Sb7。(2511111)1的器件具有 更好的操作可靠性。
[0004] 中国专利CN103762308A公开了多态镓锑-硒化锡多层纳米复合相变材料及其制 备和应用，为6 &3。5137。/511562纳米复合多层相变薄膜，由5115 62薄膜和6&3。5137。薄膜交替排 列成多层薄膜结构，其中SnSe 2薄膜的厚度为5~35nm，Ga 3QSb7。薄膜的厚度为5~35nm ; Ga3QSb7Q/SnSe2纳米复合多层相变薄膜的总厚度为50-70nm，采用磁控派射法制备得到，可以 应用在具有多态性能的高密度相变存储器中。本专利主要特点在于高速高可靠性，Ge sSb92/ Ga3QSb7。纳米复合堆叠相变薄膜的晶化速度（10. 8ns)远小于633。5137。/511562纳米复合多层 相变薄膜，且基于[66 851392 (25111]1)/^3。3137。(25111]1)]1的器件可以在5〇118的脉宽下实现可 逆相变，而基于[GaMSt^OSnnO/SnSejjOSnnOL的器件只能在1000ns的脉宽下实现可逆相 变；Ge sSb92/Ga3(]Sb7。纳米复合堆叠相变薄膜具有比Ge 2Sb2Te5更小的体积收缩率。由于SnSe2 的收缩率（17% )很大，Ga3(]Sb7(]/SnSe2多层薄膜的体积收缩率很难优于Ge 2Sb2Te5。
【发明内容】
[0005] 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加快相变 存储器操作速度且提高操作可靠性的Ge sSb92/Ga3(]Sb7。纳米复合堆叠相变薄膜及其制备方 法和应用。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种纳米复合堆叠相变薄膜，由GesSb92薄膜和Ga 3QSb7。薄膜交替排列成堆叠薄膜 结构，所述的GesSb 92薄膜的厚度为10-30nm，所述的Ga 3QSb7。薄膜的厚度为20-40nm ;Ge sSb92 薄膜和Ga3()Sb7。薄膜形成的单元层的总厚度为50nm，单元层有一层。
[0008] 较优的，GesSb92/Ga3QSb 7。纳米复合堆叠相变薄膜的厚度比为30:20、25:25、20:30。
[0009] 最优的，GesSb92/Ga3(]Sb 7。纳米复合堆叠相变薄膜的厚度比为25:25。
[0010] GesSb92薄膜和Ga3QSb 7。薄膜形成的单元层有一层。
[0011] 纳米复合堆叠相变薄膜的制备方法，采用磁控溅射法，在Si02/Si (100)衬底上，以 GesSb9jP Ga 3(]Sb7。为溅射靶材，以Ar为溅射气体，交替沉积Ge sSb92薄膜和Ga 3(]Sb7。薄膜，获 得GesSb92/Ga 3(]Sb7。纳米复合堆叠相变薄膜材料。
[0012] 较优的，所述的GesSb92/Ga3QSb 7。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。
[0013] 较优的，所述的GesSb9^ Ga3QSb7。祀材溅射均采用射频电源，且溅射功率均为 15-25W，最优为 20W。
[0014] 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 0? 15-0. 25Pa，最优为 0? 2Pa。
[0015] 所述的单层GesSb92薄膜和单层Ga 3()Sb7。薄膜的厚度通过派射时间来调控。
[0016] GesSb92/Ga3()Sb 7。纳米复合堆叠相变薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
[0017] 1.清洗Si02/Si (100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质；
[0018] 2.安装好溅射靶材；设定射频功率，气体流量及溅射气压；
[0019] 3.采用室温磁控溅射方法制备GesSb92/Ga 3(]Sb7。纳米复合堆叠相变薄膜；
[0020] (a)将基片旋转到GesSb92-位，打开Ge sSb92的射频电源，开始溅射Ge sSb92薄膜， 〇6831392薄|旲派射完成后，关闭Ge 8Sb92的射频电源。
[0021 ] (b)将基片旋转到Ga3QSb7。靶位，打开Ga 3QSb7。的射频电源，开始溅射Ga 3QSb7。薄膜， Ga3(]Sb7。薄膜溅射完成后，关闭Ga 3(]Sb7。的射频电源。
[0022] 该纳米复合堆叠相变薄膜应用于具有高速高可靠性特点的相变存储器中。
[0023] 与现有技术相比，本发明制备得到的GesSb92/Ga 3(]Sb7。纳米复合堆叠相变薄膜具有 晶化速度快的特点，由于生长占主导的结晶过程，且Ge sSb9jP Ga3(]Sb7。都是富Sb型材料， 因而GesSb 92/Ga3(]Sb7。堆叠薄膜具有比传统的Ge 2Sb2Te5相变材料更快的结晶速度（L. van Pieterson:，Applied Physics Letters，2003 (83): 1373-1375)，从而能大大提高 PCRAM 的 操作速度；具有较小的体积收缩率，使得器件中相变薄膜与电极的接触更紧密，从而大大提 高了器件的操作可靠性；具有较高的十年数据保持温度和结晶激活能，能改善PCRAM的热 稳定性；具有更高的晶态及非晶态电阻，根据P = I2R，能够大大降低PCRAM器件的功耗。
[0024] 与传统的相变存储材料Ge2Sb2Te5 (20ns)相比，晶化速度为1 Ins，能大大提 高PCRAM器件的操作速度；GesSb92/Ga3(]Sb 7。(2. 21 % )纳米复合堆叠相变薄膜具有比 Ge2Sb2Te5(6. 8% )更小的体积收缩率；利用66抑92和6&3,7。均具有较高晶态电阻的特点， 使得Ge sSb92/Ga3(]Sb7。堆叠复合相变薄膜材料也有较高晶态电阻，从而降低PCRAM的操作 功耗；各组分相变的晶化温度均大于200°C，十年数据保持温度都大于120°C，能大大改善 PCRAM的热稳定性。
【附图说明】
[0025] 图1为GesSb92/Ga 3QSb7。纳米复合堆叠相变薄膜的电阻与温度的关系曲线；
[0026] 图2为GesSb92/Ga3(]Sb7。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；
[0027]图 3 中，图（a)、图（b)分别为单层 GST 薄膜以及[GesSb92 (25nm) /Ga3QSb7。(25nm) ]i 复合薄膜的在皮秒激光脉冲照射下反射率随时间的变化关系曲线；
[0028] 图4为[GesSb92 (25nm) /Ga3QSb7。(25nm)]桌合薄膜X射线反射率随入射角的变化 关系曲线；
[0029] 图5为基于[66^92 (25)/^3(^7。(25)]1薄膜？0^器件单元的1^特性曲线。
【具体实施方式】