一种多周期Ga30Sb70和Sb复合相变薄膜材料及其制备方法

本发明属于相变存储材料，尤其是涉及一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料及其制备方法。

背景技术：

1、基于硫系化合物的相变存储器(pcm)由于具有快的读写速度、高密度存储能力以及能够和目前的cmos工艺兼容等优点，被业界认为最有希望替代闪存成为下一代非挥发存储器的主流存储技术。pcm器件的set操作(结晶)和reset操作(非晶化)会导致大的电阻波动，并且在室温下存在电阻漂移现象，影响了存储器件的精度和稳定性。比如传统ge2sb2te5(gst)基相变存储器件在循环操作过程中，多数据态电阻波动较大，导致reset电阻存在较大的漂移行为(系数达到～0.11，高于理想值0.01)，严重制约其在高精度、高效率神经元计算器件的开发和应用(ieeetrans.electrondev.2010,57:2690-2696)。

2、鉴于此，研究人员决定使用单元素材料代替复杂的gst合金作为相变存储器的相变介质。锑(sb)在晶态时具有半金属特性，呈无定型薄膜状态时具有半导体特性，两种状态导电性差异明显，易于实现非晶态与晶态间快速转换，并且4nm厚的纯sb薄膜表现出超低电阻漂移系数(v＝～0.003)。但是由于其爆炸性的结晶机制，纯sb薄膜很难达到稳定的非晶态。在60～70℃时，新型单元素无定型sb目前只能稳定存在大约100秒。ga30sb70是一种二元相变存储材料，由镓(ga)和锑(sb)元素组成，具有较高的结晶温度，可以满足器件对热稳定性的要求，但其相变的速度较慢。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种组分简单、结晶温度高、电阻漂移系数低、结晶速度快且热稳定性好的多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料及其制备方法。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其由ga30sb70薄膜层和sb薄膜层交替沉积复合而成，所述的ga30sb70薄膜层的厚度为5nm-10nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm-15nm，所述的相变薄膜材料的总厚度为60-125nm。

3、优选的，所述的ga30sb70薄膜层的厚度为5nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm，所述的相变薄膜材料的厚度为60nm。

4、优选的，所述的ga30sb70薄膜层的厚度为10nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm，所述的相变薄膜材料的厚度为85nm。

5、优选的，所述的ga30sb70薄膜层的厚度为10nm，所述的sb薄膜层的厚度为15nm，所述的相变薄膜材料的厚度为125nm。

6、优选的，所述的相变薄材料采用磁控溅射方法制备，衬底为si/sio2，溅射靶材为ga30sb70和sb。

7、优选的，所述的ga30sb70薄膜层材料中ga、sb原子比例为30:70。

8、上述多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料的制备方法，利用磁控溅射镀膜系统，采用双靶共溅射方法制备获得，具体包括下述步骤：

9、(1)将石英片和硅片衬底材料放入去离子水和无水乙醇中超声清洗后取出，随后用高纯度氮气吹干；

10、(2)在磁控溅射镀膜系统中，将合金ga30sb70靶材安装在磁控3号射频溅射靶中，将单质sb靶材安装在磁控1号直流溅射靶中；

11、(3)打开机械泵，待真空度达到1.5×10-1pa以下时，打开分子泵，待抽真空至5.0×10-5pa以下；

12、(4)然后控制合金ga30sb70靶的溅射功率为40w，单质sb靶的溅射功率为20w，通氩气，流量设为40sccm，溅射气压为0.3pa；

13、(5)用镀膜监控程序进行镀膜，通过控制溅射时间改变溅射厚度，sb靶材溅射时间为60-90s，ga30sb70靶材溅射时间为60-120s，镀膜结束后，关闭ga30sb70靶材射频电源和sb靶材直流电源，即得到多周期ga30sb70/sb相变薄膜材料。

14、优选的，所述的ga30sb70靶材纯度为99.99％，所述的sb靶材的纯度为99.9％。

15、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料及其制备方法，通过交替沉积ga30sb70和sb形成ga30sb70/sb多周期结构以提高纯sb薄膜的非晶热稳定性，同时利用多周期薄膜层与层之间的界面效应，减少薄膜内部元素长距离的元素迁移与扩散，解决材料非晶态电阻随着时间推移(循环次数的增多)而逐渐变大的问题，以达到大幅度降低电阻漂移的目的。其中优选[ga30sb70(10nm)/sb(7nm)]5薄膜，薄膜的电阻随温度的升高而降低，直到其结晶温度为198℃时，此时薄膜电阻的突然下降表明发生了从非晶态到结晶态的相变。薄膜的电阻漂移系数为0.0007，析晶活化能为3.8ev，十年数据保持力为123.3℃，传统的相变材料ge2sb2te5(gst)的结晶温度约为160℃，电阻漂移系数约为0.08，析晶活化能约为2.98ev，十年数据保持力约为88.9℃。多周期薄膜的性能优于gst，是一种潜在的相变存储备选材料。而优选的[ga30sb70(10nm)/sb(7nm)]5薄膜电阻漂移系数只有0.0007，远小于gst的0.11，从而能够改善相变材料在非晶态下的电阻漂移现象。

16、综上所述，本发明一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料及制备方法，以传统sb材料为相变基质，从中引入ga30sb70层在纳米尺度下周期性生长，制备得到一系列二元多周期相变存储材料，该材料具有较高的结晶温度，能在较高温度下稳定地工作；其仅具有两种元素，能够有效抑制组分偏析且获得较低的电阻漂移系数，提高器件循环的可靠性；其具有较快的相变速度，有利于数据快速的读取；该材料为二元无te的环境友好型材料，组分稳定并且可控性强，不会污染生产线，便于工艺的加工制造。

技术特征：

1.一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：其由ga30sb70薄膜层和sb薄膜层交替沉积复合而成，所述的ga30sb70薄膜层的厚度为5nm-10nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm-15nm，所述的相变薄膜材料的总厚度为60-125nm。

2.根据权利要求1所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：所述的ga30sb70薄膜层的厚度为5nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm，所述的相变薄膜材料的厚度为60nm。

3.根据权利要求1所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：所述的ga30sb70薄膜层的厚度为10nm，所述的sb薄膜层的厚度为7nm，所述的相变薄膜材料的厚度为85nm。

4.根据权利要求1所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：所述的ga30sb70薄膜层的厚度为10nm，所述的sb薄膜层的厚度为15nm，所述的相变薄膜材料的厚度为125nm。

5.根据权利要求1所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：所述的相变薄材料采用磁控溅射方法制备，衬底为si/sio2，溅射靶材为ga30sb70和sb。

6.根据权利要求1所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料，其特征在于：所述的ga30sb70薄膜层材料中ga、sb原子比例为30:70。

7.一种根权利要求1所述的多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：利用磁控溅射镀膜系统，采用双靶共溅射方法制备获得，具体包括下述步骤：

8.根据权利要求7所述的一种多周期ga30sb70和sb复合相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述的ga30sb70靶材纯度为99.99％，所述的sb靶材的纯度为99.9％。

技术总结
本发明公开了一种多周期Ga<subgt;30</subgt;Sb<subgt;70</subgt;和Sb复合相变薄膜材料及其制备方法，特点是该薄膜材料由Ga<subgt;30</subgt;Sb<subgt;70</subgt;薄膜层和Sb薄膜层交替沉积复合而成，其中Ga<subgt;30</subgt;Sb<subgt;70</subgt;薄膜层的厚度为5‑10nm，Sb薄膜层的厚度为7‑15nm，Ga<subgt;30</subgt;Sb<subgt;70</subgt;/Sb多周期相变薄膜材料总厚度为60‑125nm，优点是该材料具有较高的结晶温度，能在较高温度下稳定地工作；其仅具有两种元素，能够有效抑制组分偏析且获得较低的电阻漂移系数，提高器件循环的可靠性；其具有较快的相变速度，有利于数据快速的读取。

技术研发人员：王国祥,吴彤,陈益敏,沈祥
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15