基于PEEK衬底的多层纳米复合相变存储薄膜材料及其制备和应用

本发明属于信息存储，具体涉及基于peek衬底的多层纳米复合相变存储薄膜材料及其制备以及该材料在相变存储器件中的应用。

背景技术：

1、随着移动互联网及电子器件小型化的飞速发展，市场对柔性、便携式电子设备的需求大幅上升，存储器作为电子设备中不可或缺的部分也正顺势向柔性化方向快速发展。基于器件柔性化的发展趋势，传统的硅衬底存储材料已经不能满足当前的工程需求，所以迫切需要开发出新型的基于柔性衬底的存储材料。

2、聚醚醚酮(peek)是一种膨胀系数小、尺寸稳定性好的特种高分子材料，因此可以加工成尺寸精度很高的原件；又因为其兼具耐高温、耐剥离性好、阻燃性等级高、防水性好、电绝缘性能好、耐腐蚀性好等优势，使得该类材料可以适应多种复杂的工作环境。这些优良特性也为其在柔性相变存储器的衬底材料中的发展应用提供了可能。

3、相变存储器(pcram)是一类具有读写速度快、非易失性、循环次数高以及与cmos工艺兼容等诸多优点的存储器件。相变存储器中最核心的部分便是以硫系化合物为基础的相变材料，其中，ge2sb2te5是应用较为广泛的一种传统相变存储材料，但是该材料的非晶稳定性较差且结晶速度较慢，这会使得该材料在实际应用时受到诸多限制。

4、为了解决传统ge2sb2te5相变材料热稳定性差的问题，中国专利cn102347446b公开了一种用于相变存储器的ge-sb-te富ge掺n相变材料及其制备方法，所述ge-sb-te富ge掺n相变材料的成分主要为氮化锗和(gete)a(sb2te3)b复合的相变材料。其是采用磁控溅射法，在硅衬底或热氧化后的硅衬底上，利用ge和(gete)a(sb2te3)b合金靶两靶共溅射、或者利用ge、sb和te三靶共溅射、或者利用(gete)a(sb2te3)b合金和氮化锗合金靶两靶共溅射获得的相变材料。根据该方案所制得的相变材料虽能提高ge2sb2te5的热稳定性，但是会减缓材料的晶化速度，从而使ge2sb2te5材料本就不快的相变速度进一步降低，这对于存储器的应用是非常不利的。

5、相较于ge2sb2te5而言，sb金属材料因具有较快的结晶速度而备受本领域技术人员的关注，但sb的结晶温度和电阻较低的特性也阻碍了其的有效使用。ge2sb2te5和sb这两种材料单独作为相变材料使用时效果均不是非常理想。如能将ge2sb2te5和sb这两种材料复合使用，充分发挥两者的协同作用，并以peek作为衬底，将有望开发出一种新型的、热稳定性高、晶化速度快且符合当今柔性便携发展趋势的复合相变存储薄膜材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统相变存储材料ge2sb2te5结晶速度较慢等技术问题，同时为了更好地适应电子器件的柔性化发展趋势，提供一种基于peek衬底的多层纳米复合相变存储薄膜材料及其制备和其在相变存储器件中的应用。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于peek衬底的多层纳米复合相变存储薄膜材料，其是将ge2sb2te5金属层和sb金属层在柔性peek衬底上交替沉积复合而成的，该材料的化学通式为[ge2sb2te5(xnm)/sb(ynm)]a，其中，x nm为单层ge2sb2te5层的厚度且1nm≤x nm<10nm；y nm为单层sb层的厚度且1nm≤y nm<10nm；相邻溅射的ge2sb2te5层和sb层作为一个交替周期，a为ge2sb2te5层和sb层的交替周期数，2≤a<10。

4、进一步地，(xnm+ynm)×a表示总膜厚，40nm≤(xnm+ynm)×a≤60nm。

5、作为优选，(x+y)×a＝50nm。

6、上述基于peek衬底的多层纳米复合相变存储薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)柔性peek衬底的预处理；

8、(2)磁控溅射准备：安装待溅射的ge2sb2te5靶材和sb靶材，对溅射腔室抽真空，以ar气作为溅射气体，设定溅射速率、ar气流量并调节溅射气压；

9、(3)磁控溅射制备ge2sb2te5/sb多层纳米复合相变存储薄膜：

10、a)靶材清洁；

11、b)将待溅射的peek衬底转到sb靶位，开启sb靶位的交流电源，设定溅射时间和溅射速率后溅射sb薄膜，获得单层sb层；

12、c)将待溅射的peek衬底旋转到ge2sb2te5靶位，开启ge2sb2te5靶位的交流电源，设定溅射时间和溅射速率后溅射ge2sb2te5薄膜，获得单层ge2sb2te5层；

13、d)将步骤b)中获得的单层sb层和步骤c)中获得的单层ge2sb2te5层作为一个交替周期，数次重复步骤b)和c)得到相应交期数的基于柔性peek衬底的ge2sb2te5/sb多层纳米复合相变存储薄膜材料。

14、进一步地，步骤(2)中，ar气的体积百分比≥99.999％，气体流量为25～35sccm，溅射气压为0.15～0.45pa，溅射功率为30w；作为优选，ar气的气体流量为30sccm，溅射气压为0.4pa。

15、进一步地，用于溅射的ge2sb2te5靶材以及sb靶材的原子百分比的纯度大于99.999％；其中，步骤b)中，sb靶材的溅射速率为2.479s/nm；步骤c)中，ge2sb2te5靶材的溅射速率为2.439s/nm。

16、一种柔性相变存储器，其是基于上述相变存储薄膜材料制备得到的，制备过程如下：

17、(ⅰ)柔性peek衬底和掩膜板的预处理；

18、(ⅱ)磁控溅射前准备：安装待溅射的ag靶材、ge2sb2te5靶材、sb靶材和tin靶材，对溅射腔室抽真空，以ar气作为溅射气体；设定溅射速率、ar气流量和溅射气压；

19、(ⅲ)靶材清洁；

20、(ⅳ)底电极的制备：将待溅射的peek衬底转到ag靶位，开启该靶位的射频电源，设定所需溅射时间和溅射速率，溅射生成底电极；

21、(ⅴ)将经步骤(ⅰ)处理过的掩膜板覆盖于溅射完底电极的柔性衬底上，之后放置于基托上；

22、(ⅵ)相变层的制备：将基托旋转到sb靶位，开启sb靶位的交流电源，设定溅射sb靶材的时间和速率，溅射单层sb层；接着旋转到ge2sb2te5靶位，开启ge2sb2te5靶位的交流电源，设定溅射ge2sb2te5靶材的时间和速率，溅射单层ge2sb2te5层；将相邻溅射完成的sb层和ge2sb2te5层看作一个交替周期，多次重复该步骤即可得到复合相变层；

23、(ⅶ)顶电极的制备：将柔性衬底旋转到tin靶位，开启靶位上的射频电源，设定所需的溅射时间和溅射速率，溅射完顶电极后获得基于柔性peek衬底的柔性相变存储器。

24、进一步地，ar气的体积百分比≥99.999％，气体流量为25～35sccm，溅射气压为0.15～0.45pa；作为优选，ar气的气体流量为30sccm，溅射气压为0.4pa。所用ag靶材、ge2sb2te5靶材、sb靶材以及tin靶材的原子百分比的纯度均大于99.999％。

25、进一步地，步骤(ⅵ)制备得到的相变层的厚度为70～90nm。

26、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

27、1.本技术公开的柔性相变存储薄膜以柔性peek材料为基底，通过在其上交替沉积数个周期的ge2sb2te5金属层和sb金属层以制备得到相变薄膜材料，该材料在具备柔性的基础上，通过在ge2sb2te5金属层间复合sb金属层，使得材料的热稳定性以及其晶化速度均得到明显提升，充分发挥两种溅射金属的协同作用，进而有利于提升柔性相变存储器的综合性能；

28、2.相比于利用传统硅衬底制备的相变薄膜材料而言，利用本技术公开方法制备的基于peek衬底的ge2sb2te5/sb多层相变存储薄膜不仅稳定性得到提升，且材料的非晶电阻更高，从而可以有效降低薄膜材料reset过程的功耗；

29、3.利用本技术公开方法制备的基于peek衬底的ge2sb2te5/sb多层相变存储薄膜在经历104次弯曲循环实验后，非晶-晶态电阻均可保持较好的稳定性，并且仍能保持2个数量级的差异，这确保了相关材料在信息读取过程中的有效信噪比和器件的可靠性；且随着弯曲循环次数的增加，电阻漂移系数会随之减少，这将有利于提高信息读取的准确性，同时，薄膜的电阻率也随弯曲循环次数的增加略有提高，这对提高非晶的热稳定性是有利的，这一性能将有助于降低相变过程中的操作功耗；

30、4.本技术制备的基于peek衬底的柔性相变存储器在弯曲状态下具有更低的set功耗，可以保持较好的器件特性。