[0026] (实施例1)
[0027] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料为多层膜结构,厚度为6~80nm;由Ge层和Sb层交替沉积复合而成,即在薄膜中,按照Ge层-Sb层-Ge层-Sb层…的顺序重复交替排列。将一层Ge层和一层Sb层作为一个交替周期,后一个交替周期的Ge层沉积在前一个交替周期的Sb层上方。
[0028] 上述GeSb类超晶格相变薄膜材料的膜结构用通式[Ge(a)/Sb(b)]x表示,其中a为单层Ge层的厚度,1nm≤a≤50nm;b为单层Sb层的厚度,1nm≤b≤50nm;x为Ge层和Sb层的交替周期数,或者说一层Ge层和一层Sb层为一组,薄膜材料由x组单层的Ge层和Sb层组成;x为正整数, 6nm≤(a+b)*x≤80nm。
[0029] 本实施例的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(1nm)]8,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为1nm,Ge层和Sb层的交替周期数为8,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为48nm。
[0030] 本实施例的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料采用磁控溅射法制得;具体制备方法包括以下步骤:
[0031] ①基片的准备。选取尺寸为5mm×5mm的SiO2/Si(100)基片,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℃,烘干时间20分钟。
[0032] ②磁控溅射的准备。
[0033] 在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中,将步骤①准备的待溅射的SiO2/Si(100)基片放置在基托上,将Ge(原子百分比99.999%)和Sb(原子百分比99.999%)作为溅射靶材分别安装在磁控射频(RF)溅射靶中,并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至腔室内真空度达到1×10-4 Pa。
[0034] 使用高纯氩气(体积百分比达到99.999%)作为溅射气体,设定Ar气流量为30SCCM,并将溅射气压调节至0.3Pa。
[0035] 设定射频电源的溅射功率为20W~50W(本实施例中为30W)。
[0036] ③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜。
[0037] 首先清洁Ge靶材和Sb靶材表面。将空基托旋转到Ge靶位,打开Ge靶位上的直流电源,设定溅射时间100s,开始对Ge靶材表面进行溅射,清洁Ge靶材表面;Ge靶材表面清洁完毕后,关闭Ge靶位上施加的射频电源,将空基托旋转到Sb靶位,开启Sb靶位上的射频电源,设定溅射时间100s,开始对Sb靶材表面进行溅射,清洁Sb靶材表面,Sb靶材表面清洁完毕后,关闭Sb靶位上施加的直流电源,将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Ge靶位。
[0038] 然后开始溅射第一个交替周期的Ge层:打开Ge靶位上的射频电源,设定Ge层溅射速率为1.44s/nm,溅射时间7.2s,溅射结束后得到5nm厚度的Ge层。
[0039] Ge层溅射完成后,关闭Ge靶位上施加的射频电源,将已经溅射了Ge层的基片旋转到Sb靶位,开启Sb靶位上的射频电源,设定Sb层溅射速率为3s/nm,溅射时间3s,溅射结束后得到1nm厚度的Sb层。
[0040] 在已经溅射了一层Ge层和一层Sb层的基片上重复上述溅射Ge层和Sb层的操作7次,得到具有8个交替周期的膜结构为[Ge(5)/Sb(1)]8的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料。
[0041] (实施例2)
[0042] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(3nm)]6,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为3nm,Ge层和Sb层的交替周期数为6,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为48nm。
[0043] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为9s。Ge层和Sb层交替溅射6次。
[0044] (实施例3)
[0045] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(5nm)]6,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为5nm,Ge层和Sb层的交替周期数为6,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
[0046] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为15s。Ge层和Sb层重复交替溅射6次。
[0047] (实施例4)
[0048] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的GeSb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(7nm)]5,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为7nm,Ge层和Sb层的交替周期数为5,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
[0049] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为21s。Ge层和Sb层重复交替溅射5次。
[0050] (实施例5)
[0051] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(9nm)]4,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为9nm,Ge层和Sb层的交替周期数为4,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为56nm。
[0052] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为27s。Ge层和Sb层重复交替溅射4次。
[0053] (实施例6)
[0054] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(11nm)]4,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为11nm,Ge层和Sb层的交替周期数为4,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为64nm。
[0055] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为33s。Ge层和Sb层重复交替溅射4次。
[0056] (实施例7)
[0057] 本实施例的用于高速低功耗相变存储器的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的膜结构为[Ge(5nm)/Sb(13nm)]4,即每一层Ge层的厚度为5nm,每一层Sb层的厚度为13nm,Ge层和Sb层的交替周期数为4,Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的厚度为72nm。
[0058] 制备方法其余与实施例1相同,不同之处在于:步骤③磁控溅射制备[Ge(a)/Sb(b)]x多层复合薄膜时,每一层Sb层的溅射时间为39s。Ge层和Sb层重复交替溅射4次。
[0059] (对比例1)
[0060] 本对比例制备的是单层Sb相变薄膜材料,厚度50nm。按照实施例1的方法,设定Sb溅射速率为3s/nm,溅射时间150s,溅射结束后得到50nm厚度的单层Sb相变薄膜材料。
[0061] (对比例2)
[0062] 本对比例制备的是Ge2Sb2Te5相变薄膜材料,厚度50nm。按照实施例1的方法,选择Ge2Sb2Te5合金作为溅射靶材,溅射结束得到Ge2Sb2Te5相变薄膜材料。
[0063] (实验例1)
[0064] 为了了解本发明的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料的性能,对实施例1至实施例7制得的薄膜材料和对比例1制得的薄膜材料进行测试,得到各相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线。
[0065] 见图1,对比例1的单层Sb薄膜在加热过程中不具有电阻转变性能,表明Sb材料的热稳定性较差,在沉积过程中就发生了晶化,无法满足PCRAM的应用需求。
[0066] 对于本发明的Ge/Sb类超晶格相变薄膜材料,随着[Ge(a)/Sb(b)]x类超晶格相变薄膜中Ge层相对厚度的增加,相变薄膜的晶化温度逐渐提高,更高的晶化温度意味着相变薄膜更好的非晶热稳定性。其次,随着Ge层的相对厚度的增加,薄膜的非晶态和晶态的电阻均增大了,更大的电阻有助于提高加热过程的效率,从而降低操作功耗。
[0067] (实验例2)
[0068] 本实验例按照现有方法使用实施例2的[Ge(5nm)/Sb(3nm)]6类超晶格相变薄膜材料和对比例2的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料分别制备了PCRAM器件单元,并测试了其R-V曲线,如图2所示。
[0069] 见图2,在200ns宽的电压脉冲作用下,[Ge(5nm)/Sb(3nm)]6和Ge2Sb2Te5的器件均实现了SET和RESET可逆操作。从高电阻转换到低电阻的操作称为SET过程,而从低电阻到高电阻的过程称为RESET操作。由于PCRAM中RESET过程的转换电流较大,因此评价PCRAM功耗的主要是RESET电流大小。图2显示基于[Ge(5nm)/Sb(3nm)]6薄膜的RESET电压为2.32V,比相同电压脉冲下的Ge2Sb2Te5薄膜的RESET电压3.62V要低,证明本发明的[Ge(5nm)/Sb(3nm)]6超晶格薄膜具有较低的功耗。