专利名称：一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及相变存储材料技术领域，尤其是涉及一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法。
背景技术：
相变随机存储器(PRAM)，又名奥弗辛斯基电效应统一存储器，是基于美国人Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电效应的存储器，该类存储器的存储介质多以硫系化合物为主，该种化合物在热诱导作用下能实现可逆的相变，即实现非晶与多晶之间的转变。在PRAM研发中，作为存储媒介的相变材料是脉冲编码调制(PCM)的核心，其性能优化对提升PRAM器件性能至关重要。应用于PRAM的主流相变材料Te基硫系化合物有Sb-Te、Ge-Te及Ge-Sb-Te等，其中Ge2Sb2Te5合金是应用最广泛的相变存储材料。另外一类Sb-Te材料因为具有较低的熔点，特别是富Sb的Sb-Te，具有较快的结晶速度而成为当前研发的另一大热点。然而，Sb-Te材料的结晶温度较低，非晶态热稳定性较差，数据保持力得不到保障。就单一结构材料而言，很难在相变速度和数据保持力两方面同时获得良好的性能，因此相变储存材料需要在结晶速度和热稳定性之间寻找一个平衡点。目前，用于相变存储器的传统相变存储材料主要Ge2Sb2Te5，但是由于其结晶温度较低(约150°C)，以传统Ge2Sb2Te5材料为存储介质的PRAM存储单元的数据只能够在70-110°C下保存10年，在高温下的数据保存寿命短，还有待提高。相较与传统Ge2Sb2Te5相变存储材料，S1-Sb-Te表现出了较为优异的性能，如名称为用于相变存储器的S1-Sb-Te材料的发明专利 (公开号为CN102130298A)，就公开了基于元素Si，Sb, Te的相变材料，该材料中Si含量增加能提高材料的数据保持力，其结晶温度也可以达到277°C左右，但是Si元素在薄膜中分布并不是很均匀，会造成读写过程中数据的不稳定性；名称为用于相变存储器的Al-Sb-Te系列相变材料的发明专利(公开号为CN102134698A)，公开了基于元素Al, Sb, Te的相变材料，该材料具有比传统的Ge2Sb2Te5材料更高的结晶温度，更好的热稳定性和数据保持力和较低的熔点，但是该材料在热诱导作用下从非晶到晶态的相变突变点不是很明显，这会影响PRAM数据存取的速度和可靠性；而一些新出现的相变存储材料主要有 Ga-Sb-Te，N-Sb-Te, Cu-Sb-Te, T1-Sb-Te, W-Sb-Te 等系列，在上述新的相变材料中，Ga-Sb-Te, Cu-Sb-Te, T1-Sb-Te, W-Sb-Te等具有较小的非晶态/晶态电阻比，会影响器件的开/关比；N-Sb-Te在高温实际应用中稳定性较差。因此，不断开发应用新型相变材料使得PRAM的优越性得到最大限度的发挥仍需要我们进一步深入的探讨研究。
发明内容
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Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法，该材料具有较好的非晶态热稳定性，较快的晶化速度，较高的晶化温度，此外还具有较低的熔点，较高的晶态电阻率，较大的非晶态/晶态电阻之比，较好的数据保持力，能够在高温下较稳定地工作，其制备方法成本低，工艺可控性强，且易于工业化大规模生产。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，该材料是一种由锌，锑，碲三种元素组成的混合物。所述的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的化学结构式为Znx (Sb2Te3) 100_x,其中0〈x〈40。所述的相变存储薄膜材料采用Sb2Te3合金祀和Zn单质祀共派射形成。所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68。所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn38.82 (Sb2Te3)61.18。一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的制备方法，具体包括以下步骤:
(1)在磁控溅射镀膜系统中将锌单质靶材安装在磁控直流溅射靶中，将Sb2Te3靶材安装在磁控射频溅射靶中，采用石英片或氧化硅片作为衬底；
(2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到
1.6 X 10_4Pa，然后向溅射腔室内通入体积流量为47.6ml/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压0.3Pa ；
(3)然后将锌单质靶的溅射功率控制为0-10W，合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为60-100W,于室温下溅射镀膜，溅射200秒后，即得到沉积态的Zn掺杂Sb2Te3相变存储薄膜材料，其化学结构式为Z nx (Sb2Te3) 1QQ_X，其中0〈x〈40。所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68。所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn38.82 (Sb2Te3) 61.18。与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明首次公开了一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料由锌，锑，碲三种元素组成，化学结构通式为Znx (Sb2Te3) 1QQ_X，其中0〈x〈40，其中Zn，Sb，Te三种元素能够两两成键，组成三元体系，Znx(Sb2Te3) 1(KI_X材料中Zn含量的增加能抑制晶体颗粒的生长，提高材料的结晶温度和数据保持能力，使得该材料体系具有较好的非晶态热稳定性，较快的晶化速度，此外还具有较低的熔点，较高的晶态电阻率，较大的非晶态/晶态电阻之比等优点，以增加相变存储器的数据保存寿命，减小RESET (指的是从低阻态(晶态)到高阻态(非晶态)的非晶化过程)电流和提高开/关比(开/关比指器件的RESET态电阻和SET态电阻之间的比值)，其中Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68和Zn38.82 (Sb2Te3) 61.18薄膜是用于制备相变存储器非常合适的相变存储介质，相变存储薄膜材料的制备方法成本低，工艺可控性强，且易于工业化大规模生产。
图1为不同组分Znx(Sb2Te3) 薄膜方块电阻随温度变化关系曲线；
图2为不同组分Znx(Sb2Te3) 1QQ_X薄膜的激活能和数据保持力计算结果 图3为沉积态的Znx(Sb2Te3) 100_x薄膜样品的X射线粉末衍射图谱；
图4为沉积态的Znx (Sb2Te3) 100_x薄膜样品Sb的3d峰的X光电子能谱仪(XPS)图谱； 图5为沉积态的Znx (Sb2Te3) 100_x薄膜样品Te的3d峰的X光电子能谱仪(XPS)图谱； 图6为沉积态的Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68薄膜样品的透射电镜(TEM)图谱；图7为沉积态的Zn38.82 (Sb2Te3)6hl8薄膜样品的透射电镜(TEM)图谱；
图8为沉积态的Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68薄膜样品的高分辨透射电镜(HRTEM)图谱；
图9为沉积态的Zn38.82 (Sb2Te3)6hl8薄膜样品的高分辨透射电镜(HRTEM)图谱。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1
本发明的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，由Zn，Sb和Te三种元素组成，该相变材料中的锌，锑，碲三种元素两两成键，组成三元体系。实施例2
本发明的一种用于相变 存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其化学结构通式为Znx (Sb2Te3)100_x，其中0〈x〈40，具体制备方法如下:
在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中，将锌单质靶材安装在磁控直流(DC)溅射靶中，将Sb2Te3靶材安装在磁控射频(RF)溅射靶中，采用石英片或氧化硅片为衬底，将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到1.6X 10_4Pa，然后向溅射腔室内通入体积流量为47.6ml/ min (SCCM标况毫升每分)的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压0.3Pa，然后控制合金Zn靶的溅射功率为0-10W，合金Sb2Te3靶的溅射功率为60-100W，于室温下溅射镀膜，溅射200秒后，即得到沉积态的Zn掺杂Sb2Te3相变存储薄膜材料；制备的薄膜组分由X射线能谱分析法(EDS)测得，薄膜的厚度由台阶仪测得。实施例3
同上述实施例2，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为80W，Zn单质靶的溅射功率控制为0W，得到Sb2Te3相变存储薄膜材料。实施例4
同上述实施例2，，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为100W，Zn单质靶的溅射功率控制为3W，得到Znia67(Sb2Te3)8a33相变存储薄膜材料。实施例5
同上述实施例2，，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为100W，Zn单质靶的溅射功率控制为5W，得到Zn16.77 (Sb2Te3)8123相变存储薄膜材料。实施例6
同上述实施例2，，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为80W，Zn单质靶的溅射功率控制为5W，得到Znia97(Sb2Te3)8atl3相变存储薄膜材料。实施例7
同上述实施例2，，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为60W，Zn单质靶的溅射功率控制为8W，得到Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68相变存储薄膜材料。实施例8
同上述实施例2，其区别在于:制备过程中合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为60W，Zn单质靶的溅射功率控制为10W，得到Zn38.82 (Sb2Te3)61J相变存储薄膜材料。试验结果分析
上述实施3-8制备的相变存储薄膜材料的具体组分如表I所示，表I制备的薄膜样品组分
权利要求
1.一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其特征在于:该材料是一种由锌，锑，碲三种元素组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其特征在于:所述的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的化学结构式为Znx(Sb2Te3) 1(KI_X，其中0〈χ〈40。
3.根据权利要求1所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其特征在于:所述的相变存储薄膜材料采用Sb2Te3合金靶和Zn单质靶共溅射形成。
4.根据权利要求1所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其特征在于:所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68。
5.根据权利要求1所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料，其特征在于:所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn38.82 (Sb2Te3) 61.18。
6.一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤: (1)在磁控溅射镀膜系统中将锌单质靶材安装在磁控直流溅射靶中，将Sb2Te3靶材安装在磁控射频溅射靶中，采用石英片或氧化硅片作为衬底； (2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到1.6 X 10_4Pa，然后向溅射腔室内通入体积流量为47.6ml/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压0.3Pa ； (3)然后将锌单质靶的溅射功率控制为0-10W，合金Sb2Te3靶的溅射功率控制为60-100W,于室温下溅射镀膜，溅射200秒后，即得到沉积态的Zn掺杂Sb2Te3相变存储薄膜材料，其化学结构式为Znx (Sb2Te3) 1QQ_X，其中0〈x〈40。
7.根据权利要求6所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn33.32 (Sb2Te3) 66.68。
8.根据权利要求6所述的一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料的制备方法，其特征在于:所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为Zn38.82 (Sb2Te3)61.18。
全文摘要
本发明公开了一种用于相变存储器的Zn-Sb-Te相变存储薄膜材料及其制备方法，特点是该材料由锌，锑，碲三种元素组成，其化学结构式为ZnX(Sb2Te3)100-X，0<x<40，制备过程如下将锌单质靶材安装在磁控直流溅射靶中，将Sb2Te3靶材安装在磁控射频溅射靶中；将溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到1.6×10-4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯氩气直至气压达到0.3Pa；然后控制锌靶的溅射功率为0-10W，Sb2Te3靶溅射功率为60-100W，于室温下溅射镀膜200秒得到成品，优点是晶化速度快，晶化温度高，熔点较低，晶态电阻率较高，数据保持力较好，能够在高温下较稳定地工作。
文档编号C22C12/00GK103247757SQ20131013576
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者沈祥, 王国祥, 聂秋华, 陈益敏, 李军建, 徐铁峰, 戴世勋, 吕业刚 申请人:宁波大学