CN102117885A - 用于相变存储器的纳米复合多层相变薄膜材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子材料技术领域，涉及一种用于相变存储器的纳米复合多层相变薄膜材料。本发明GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料中单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜交替排列成多层薄膜结构，单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度均为1~15nm。本发明薄膜材料结晶温度随周期中单层GeTe薄膜厚度的增加而升高，且基于GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储单元可通过电脉冲来实现高阻态和低阻态之间的可逆转变；所述材料比Ge₂Sb₂Te₅材料有更高的结晶温度，更好的非晶态热稳定性；更低的器件操作电压，从而具有更低的功耗。

Description

用于相变存储器的纳米复合多层相变薄膜材料

技术领域

本发明属于微电子材料技术领域，涉及一种用于相变存储器的纳米复合多层相变薄膜材料。

背景技术

相变存储器(PCM)具有高速、高可靠性、低功耗、长循环寿命等优点，并且特征尺寸缩小能力优越，使得PCM极有可能取代目前的FLASH，成为未来非挥发存储技术市场主流产品最具竞争者之一。相变存储器的操作原理是基于硫系化合物合金薄膜在电场激发下晶态和非晶态的可逆相变，这些材料的晶态和非晶态有着巨大差异的电阻率，分别对应着二进制数字的“1”和“0”。

目前广泛应用于相变存储器的相变材料是GeTe-Sb₂Te₃伪二元化合物，其中对于组份Ge₂Sb₂Te₅(GST)的研究最多，然而GST存在着一些缺陷，例如低的结晶温度使得非晶态的热稳定性较差，高的RESET电流导致器件单元的操作功耗较高。因此，如何寻求一种具有良好热稳定性、低功耗的相变薄膜材料，已成为本技术领域人员急需解决的关键问题。

经对现有技术的文献检索发现，Bi₂Te₃/Sb₂Te₃(J.Appl.Phys.，90：763，2001)、InAs/AlSb(Microscale Thermophys.Eng.，5：225，2001)、GaAs/AlGaAs(J.Heat.Trans-T ASME.，116：325，1994)和Si/Ge(Appl.Phys.Lett.，70：2957，1997)等超晶格材料的热导率明显低于其三维体材料的热导率，纳米复合多层薄膜是由两种或两种以上的材料以纳米级厚度交替沉积而成的多层结构薄膜，通过对周期厚度和周期数的调制，可以制备类超晶格的纳米复合多层薄膜材料。对于相变存储材料来说，较低的热导率可以降低器件在编程过程中的热量损失，从而提高了热量的利用率，达到降低器件功耗的目的；同时，由于多层薄膜各个组分间“取长补短”，使得多层薄膜具备单层薄膜难以达到的各种特殊性能，引起了人们的极大关注。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点和不足，提供一种用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，所述相变薄膜材料具有相对较高的结晶温度、良好的热稳定性，同时还具有较低的器件单元操作电压，所述相变薄膜材料通过射频交替沉积纳米级的Ge₂Sb₂Te₅薄膜和GeTe薄膜而成。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料中单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜交替排列成多层膜结构，所述单层GeTe薄膜的厚度为1～15nm，所述单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度为1～15nm。

本发明的用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结构符合如下通式：

[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(b)]_x，

式中a、b分别表示所述单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度，1≤a≤15nm，1≤b≤15nm；x表示所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料中所述单层GeTe薄膜和所述单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的调制周期数，x为正整数，且x通过薄膜总厚度与所述单层GeTe薄膜及所述单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度计算得出，优选为5≤x≤17。

较佳的，本发明所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料结构符合下式：

[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(b)]_x，其中，1≤a≤15nm，b＝5nm；其中优选组分如[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀和[GeTe(7nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₈。

较佳的，本发明所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料结构符合下式：

[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(b)]_x，其中，a＝5nm，1≤b≤15nm；

优选的，本发明所述的用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度为100nm。

较佳的，本发明所述用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的盖帽层为GeTe薄膜。

本发明所述用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度随着周期中单层GeTe薄膜厚度的增加而升高，并且基于GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器件单元可以通过电脉冲来实现高阻态和低阻态之间的可逆转变。

本发明的优势在于：本发明所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度可以通过周期中GeTe层厚度进行调制，本发明所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料比目前常用的Ge₂Sb₂Te₅材料有着更高的结晶温度，有着更好的非晶态热稳定性。本发明所述用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料比Ge₂Sb₂Te₅材料有着更低的器件操作电压，从而这种材料比Ge₂Sb₂Te₅有着更低的功耗。

本发明所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料采用磁控交替溅射方法制备，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为GeTe和Ge₂Sb₂Te₅，溅射气体为Ar气。

较佳的，所述GeTe靶材的纯度在质量百分比99.999％以上，所述Ge₂Sb₂Te₅靶材的纯度在质量百分比99.999％以上，本底真空度不大于1×10^-4Pa。

较佳的，所述GeTe和Ge₂Sb₂Te₅靶材都采用射频电源，且溅射射频功率为15～25W。

较佳的，所述Ar气的纯度为体积百分比99.999％以上，气体流量为25～35SCCM，溅射气压为0.15～0.25Pa。

本发明所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的制备过程具体包括以下步骤：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片；

2)安装好溅射靶材：设定射频功率，设定溅射气体流量及溅射气压；

3)采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料：

a)将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜；

b)Ge₂Sb₂Te₅薄膜溅射完成后，关闭Ge₂Sb₂Te₅靶上所施加的射频电源，将基片旋转到GeTe靶位，开启GeTe靶上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射GeTe薄膜；

c)重复a)和b)两步，即在SiO₂/Si(100)基片上制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅…GeTe/Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂/Si多层薄膜材料；在薄膜总厚度固定的前提下，通过调制GeTe、Ge₂Sb₂Te₅靶材的溅射时间来控制多层薄膜周期中GeTe和Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度和周期数，从而形成所需结构的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料。

本发明的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度可以通过多层薄膜周期中单层GeTe薄膜的厚度或者单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度来调制，且其中多层薄膜周期中单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度可以通过溅射时间来调控。

本发明所述用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料具有如下特点：首先，GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度可以通过周期中单层GeTe薄膜或者单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度来调制，且随着GeTe薄膜厚度的增加而升高；其次，GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料比传统的Ge₂Sb₂Te₅材料具有更好的热稳定性；再次，基于GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器件比基于Ge₂Sb₂Te₅的相变存储器件具有更低的操作电压。

所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器件显示出良好的循环操作特性，高低电阻之间有大于100的比例，因此具有良好的热稳定性和开关比，充分说明其在相变存储器应用上的巨大潜力。

附图说明

图1为实施例1中[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]_x纳米复合多层相变薄膜材料和对比例1的GeTe薄膜、对比例2的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的电阻与温度的关系曲线。

图2为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的I-V特性曲线。

图3为基于对比例2的Ge₂Sb₂Te₅的相变存储器存储单元的I-V特性曲线。

图4为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元的在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线。

图5为基于对比例2的Ge₂Sb₂Te₅的相变存储器存储单元在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线。

图6为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的循环操作疲劳特性。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

制备以下结构的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，其薄膜材料的结构具体为[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀和[GeTe(7nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₈，且所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度为100nm。

具体制备步骤如下：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片：清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；然后在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N₂吹干表面和背面；在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟；

2)安装好溅射靶材：设定射频功率，设定溅射气体流量及溅射气压；

3)采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料：a)将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜，溅射时间固定为15s；b)Ge₂Sb₂Te₅薄膜溅射完成后，关闭Ge₂Sb₂Te₅靶上所施加的射频电源，将基片旋转到GeTe靶位，开启GeTe靶上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射GeTe薄膜；c)重复a)和b)两步，即在SiO₂/Si(100)基片上制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅…GeTe/Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂/Si多层薄膜材料；在薄膜总厚度固定的前提下，通过调制GeTe靶材的溅射时间来控制多层薄膜周期中GeTe薄膜的厚度和周期数，从而形成所需结构的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料；溅射过程中，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为纯度在质量百分比99.999％以上的GeTe和99.999％以上的Ge₂Sb₂Te₅，本底真空度不大于1×10^-4Pa，溅射气体为体积百分比99.999％以上的Ar气；气体流量为30SCCM，溅射气压为0.2Pa，溅射射频功率为20W。

对比例1

制备厚度为100nm的GeTe相变薄膜，包括以下步骤：

步骤1清洗SiO₂/Si(100)基片；

步骤2采用室温磁控溅射的方法制备GeTe相变薄膜前准备：

a)安装好GeTe合金靶，靶的纯度为99.999％(质量百分比)，本底真空度优于1×10^-4Pa；

b)射频功率定为20W；

c)使用纯度为99.999％的Ar气作为溅射气体，气体流量控制在30SCCM，溅射气压为0.2Pa。

步骤3采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe相变薄膜，将基片旋转到GeTe靶位，打开GeTe靶上的射频电源，开始溅射GeTe薄膜，即在SiO₂/Si(100)衬底上制备了GeTe相变薄膜，薄膜的厚度控制在100nm。

对比例2

制备厚度为100nm的Ge₂Sb₂Te₅相变薄膜，包括以下步骤：

步骤1清洗SiO₂/Si(100)基片；

步骤2采用室温磁控溅射的方法制备Ge₂Sb₂Te₅相变薄膜前准备：

a)安装好Ge₂Sb₂Te₅合金靶，靶的纯度为99.999％(质量百分比)，本底真空度优于1×10^-4Pa；

b)射频功率定为20W；

c)使用纯度为99.999％的Ar气作为溅射气体，气体流量控制在30SCCM，溅射气压为0.2Pa。

步骤3采用室温磁控交替溅射方法制备Ge₂Sb₂Te₅相变薄膜，将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜，即在SiO₂/Si(100)衬底上制备了Ge₂Sb₂Te₅相变薄膜，薄膜的厚度控制在100nm。

将实施例1、对比例1和对比例2所得的相变薄膜材料进行检测得到图1-图5。图1为实施例1中[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]_x纳米复合多层相变薄膜材料和对比例1的GeTe薄膜、对比例2的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的电阻与温度的关系曲线。测试过程中的升温速率为10℃/min。从图中看出，在室温下，所有的薄膜材料都处于高阻态，随着加热温度的升高，电阻缓慢下降，达到结晶温度时电阻发生快速的下降，[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀和[GeTe(7nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₈薄膜结晶温度分别为188℃和197℃，表明该纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度随着周期中GeTe薄膜厚度的增加而升高，相应材料的非晶态热稳定性逐渐增强。而GeTe薄膜的厚度主要依赖于GeTe靶材的溅射时间，因此可以通过调节GeTe靶材的溅射时间来调制纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度。从图1还可以看出，在相变前后，GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的非晶态和晶态电阻变化约5个数量级，能够满足相变存储器开关比性能的要求。

图2为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的I-V特性曲线，图3为基于对比例2的Ge₂Sb₂Te₅相变存储器存储单元的I-V特性曲线。从图2和图3中可见，基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料相变存储器存储单元的阈值电压和阈值电流分别为1.23V和3μA，此时，[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料从高阻态转变为低阻态，这两个值都小于同比条件下Ge₂Sb₂Te₅器件的电压和电流，分别为3.43V和5μA。

图4为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线，图5为基于对比例2的Ge₂Sb₂Te₅相变存储器存储单元在不同脉冲宽度下的R-V特性曲线。从图4和图5中可见，通过施加电脉冲可以实现存储单元高阻态和低阻态间的可逆转变，同时基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜的相变存储器存储单元SET和RESET操作电压都比Ge₂Sb₂Te₅降低，这主要归因于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层薄膜较低的热导率，使得器件的加热效率得到提高。

图6为实施例1中基于[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的循环操作疲劳特性。从图6看出，器件单元显示出良好的循环操作特性(约2×10⁵次循环)，高低电阻之间有大于100的比例。这也证明了GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料具有良好的热稳定性，保证了器件的可靠操作。

实施例2

制备结构分别为[GeTe(15nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₅、[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(1nm)]₁₇、[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(15nm)]₆和[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₇的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，且所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度分别为100nm、102nm、96nm和102nm。

具体制备步骤如下：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片：清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；然后在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N₂吹干表面和背面；在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟；

2)安装好溅射靶材：设定射频功率，设定溅射气体流量及溅射气压；

采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料：a)将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，依照设定的溅射时间分别为15s、5s、75s和15s，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜；b)Ge₂Sb₂Te₅薄膜溅射完成后，关闭Ge₂Sb₂Te₅靶上所施加的射频电源，将基片旋转到GeTe靶位，开启GeTe靶上的射频电源，开始溅射GeTe薄膜，溅射时间分别设定为30s、10s、2s和2s；c)重复a)和b)两步，即在SiO₂/Si(100)基片上制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅…GeTe/Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂/Si多层薄膜材料；在薄膜总厚度固定的前提下，通过调制GeTe靶材和Ge₂Sb₂Te₅靶材的交替溅射时间来控制多层薄膜周期中Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度和周期数，从而形成所需结构的[GeTe(15nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₅、[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(1nm)]₁₇、[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(15nm)]₆和[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₇的纳米复合多层相变薄膜材料；溅射过程中，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为纯度在质量百分比99.999％以上的GeTe和99.999％以上的Ge₂Sb₂Te₅，本底真空度不大于1×10^-4Pa，溅射气体为体积百分比99.999％以上的Ar气；气体流量为30SCCM，溅射气压为0.2Pa，溅射射频功率为20W。

将实施例2所得的相变薄膜材料[GeTe(15nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₅、[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(1nm)]₁₇、[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(15nm)]₆和[GeTe(1nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₇分别进行检测可知，所得纳米复合多层相变薄膜材料的结晶温度均随着周期中GeTe薄膜厚度的增加而升高，相应的材料非晶态热稳定性也更强；且在相变前后，GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的非晶态和晶态电阻变化均约5个数量级，能够满足相变存储器存储性能的要求。本实施例所得的材料可以通过周期中GeTe层厚度进行调制，均比目前常用的Ge₂Sb₂Te₅材料有着更高的结晶温度，有着更好的非晶态热稳定性。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的I-V特性曲线中均可知，所得材料从高阻态转变为低阻态的电压和电流，都小于同比条件下Ge₂Sb₂Te₅器件的电压和电流。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线可知，通过施加电脉冲均可以实现存储单元高阻态和低阻态间的可逆转变，同时基于所得纳米复合多层相变薄膜的相变存储器存储单元SET和RESET操作电压都比Ge₂Sb₂Te₅降低，比Ge₂Sb₂Te₅材料有着更低的功耗，这主要归因于所得的纳米复合多层薄膜均具有较低的热导率，使得器件的加热效率得到提高。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元保持了良好了循环操作疲劳特性，高低电阻之间保持了大于100的比例。

实施例3

制备结构为[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，且所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度为100nm。

具体制备步骤如下：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片：清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；然后在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N₂吹干表面和背面；在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟；

2)安装好溅射靶材：设定射频功率，设定溅射气体流量及溅射气压；

采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料：a)将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，依照设定的溅射时间为10s，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜；b)Ge₂Sb₂Te₅薄膜溅射完成后，关闭Ge₂Sb₂Te₅靶上所施加的射频电源，将基片旋转到GeTe靶位，开启GeTe靶上的射频电源，开始溅射GeTe薄膜，溅射时间分别设定为5s；c)重复a)和b)两步，即在SiO₂/Si(100)基片上制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅…GeTe/Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂/Si多层薄膜材料；在薄膜总厚度固定的前提下，通过调制GeTe靶材和Ge₂Sb₂Te₅靶材的交替溅射时间来控制多层薄膜周期中Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度和周期数，从而形成结构为[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀的纳米复合多层相变薄膜材料；溅射过程中，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为纯度在质量百分比99.999％以上的GeTe和99.999％以上的Ge₂Sb₂Te₅，本底真空度不大于1×10^-4Pa，溅射气体为体积百分比99.999％以上的Ar气；气体流量为25SCCM，溅射气压为0.25Pa，溅射射频功率为25W。

将实施例3所得的相变薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀进行检测可知，所得纳米复合多层相变薄膜材料比Ge₂Sb₂Te₅材料有更高的结晶温度，更好的非晶态热稳定性；在相变前后，其非晶态和晶态电阻变化约5个数量级，能够满足相变存储器存储性能的要求。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的I-V特性曲线中均可知，所得材料从高阻态转变为低阻态的电压和电流，都小于同比条件下Ge₂Sb₂Te₅器件的电压和电流。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线可知，通过施加电脉冲可以实现存储单元高阻态和地阻态间的可逆转变，同时基于所得纳米复合多层相变薄膜的相变存储器存储单元SET和RESET操作电压都比Ge₂Sb₂Te₅降低，比Ge₂Sb₂Te₅材料有着更低的功耗，这主要归因于所得的纳米复合多层薄膜具有较低的热导率，使得器件的加热效率得到提高。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元保持了良好了循环操作疲劳特性，高低电阻之间保持了大于100的比例。

实施例4

制备结构为[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，且所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度为100nm。

具体制备步骤如下：

1)清洗SiO₂/Si(100)基片：清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；然后在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N₂吹干表面和背面；在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟；

2)安装好溅射靶材：设定射频功率，设定溅射气体流量及溅射气压；

采用室温磁控交替溅射方法制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料：a)将基片旋转到Ge₂Sb₂Te₅靶位，打开Ge₂Sb₂Te₅靶上的射频电源，依照设定的溅射时间为20s，开始溅射Ge₂Sb₂Te₅薄膜；b)Ge₂Sb₂Te₅薄膜溅射完成后，关闭Ge₂Sb₂Te₅靶上所施加的射频电源，将基片旋转到GeTe靶位，开启GeTe靶上的射频电源，开始溅射GeTe薄膜，溅射时间分别设定为15s；c)重复a)和b)两步，即在SiO₂/Si(100)基片上制备GeTe/Ge₂Sb₂Te₅…GeTe/Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂/Si多层薄膜材料；在薄膜总厚度固定的前提下，通过调制GeTe靶材和Ge₂Sb₂Te₅靶材的交替溅射时间来控制多层薄膜周期中Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度和周期数，从而形成结构为[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀的纳米复合多层相变薄膜材料；溅射过程中，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为纯度在质量百分比99.99％以上的GeTe和99.999％以上的Ge₂Sb₂Te₅，本底真空度不大于1×10^-4pa，溅射气体为体积百分比99.999％以上的Ar气；气体流量为35SCCM，溅射气压为0.15Pa，溅射射频功率为15W。

将实施例4所得的相变薄膜材料[GeTe(5nm)/Ge₂Sb₂Te₅(5nm)]₁₀进行检测可知，所得纳米复合多层相变薄膜材料比Ge₂Sb₂Te₅材料有更高的结晶温度，更好的非晶态热稳定性；在相变前后，其非晶态和晶态电阻变化约5个数量级，能够满足相变存储器存储性能的要求。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器存储单元的I-V特性曲线中均可知，所得材料从高阻态转变为低阻态的电压和电流，都小于同比条件下Ge₂Sb₂Te₅器件的电压和电流。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元在不同脉冲宽度时的R-V特性曲线可知，通过施加电脉冲可以实现存储单元高阻态和地阻态间的可逆转变，同时基于所得纳米复合多层相变薄膜的相变存储器存储单元SET和RESET操作电压都比Ge₂Sb₂Te₅降低，比Ge₂Sb₂Te₅材料有着更低的功耗，这主要归因于所得的纳米复合多层薄膜具有较低的热导率，使得器件的加热效率得到提高。

经检测，从所得纳米复合多层相变薄膜材料的相变存储器储单元保持了良好了循环操作疲劳特性，高低电阻之间保持了大于100的比例。

Claims (10)

1.一种用于相变存储器的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料中单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜交替排列成多层薄膜结构，所述单层GeTe薄膜的厚度为1～15nm，所述单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度为1～15nm。

2.如权利要求书1所述的纳米复合多层相变薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的结构符合如下通式：

[GeTe(a)/Ge₂Sb₂Te₅(b)]_x，

式中a、b分别表示所述单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度，1≤a≤15nm，1≤b≤15nm；x表示所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料中所述单层GeTe薄膜和所述单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的调制周期数，且x为正整数。

3.如权利要求书2所述的纳米复合多层相变薄膜材料，其特征在于，5≤x≤17。

4.如权利要求书2所述的纳米复合多层相变薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的总厚度为100nm。

5.如权利要求书2所述的纳米复合多层相变薄膜材料，其特征在于，所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的盖帽层为GeTe薄膜。

6.如权利要求书1-5任一所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，采用磁控交替溅射方法制备所述GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料，衬底采用SiO₂/Si(100)基片，溅射靶材为GeTe和Ge₂Sb₂Te₅合金靶，溅射气体为Ar气。

7.如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述GeTe靶材的纯度在质量百分比99.999％以上，所述Ge₂Sb₂Te₅靶材的纯度在质量百分比99.999％以上，本底真空度不大于1×10^-4Pa；所述Ar气的纯度为体积百分比为99.999％以上。

8.如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述GeTe靶材和Ge₂Sb₂Te₅靶材均采用射频电源，且溅射射频功率为15～25W；所述Ar气的气体流量为25～35SCCM，溅射气压为0.15～0.25Pa。

9.如权利要求书6所述的制备方法，其特征在于，所述单层GeTe薄膜和单层Ge₂Sb₂Te₅薄膜的厚度通过溅射时间来调控。

10.如权利要求书1-5任一所述的GeTe/Ge₂Sb₂Te₅纳米复合多层相变薄膜材料在微电子领域中的应用。

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