CN107768518B - 一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子领域相变材料及其制备方法，特别是涉及一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料及制备方法。一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料，所述Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料是多层复合膜结构，由Al层和Ge10Sb90层交替沉积复合而成，将Al层和Ge10Sb90层作为一个交替周期，后一个交替周期的Al层沉积在前一个交替周期的Ge10Sb90层上方。本发明采用用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料，是一种新型相变材料，不仅热稳定性好，同时又保留其速度快、功耗低的优点。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域相变材料及其制备方法，特别是涉及一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料及制备方法。
背景技术
存储器在半导体市场中占有重要地位，仅 DRAM(dynamnicRandamAccessMemory)和FLASH两种就占有整个市场的 15％，随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前FLASH占不挥发存储器的主流，约90％。但随着半导体技术的进步，FLAH遇见到越来越多的技术瓶颈，首先存储电荷的浮栅不能随着集成电路工艺的发展无限制的减薄，此外FLASH技术的其他一些缺点也限制他的应用。
相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett， 21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett，18，254-257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。
相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。
作为相变存储器核心的相变薄膜，其物理特性具有至关重要的作用。为了同时实现高稳定性、长的循环寿命和超快的读取速度，相变材料必须同时具有较大的非晶态/晶态电阻比、非晶态下的良好温度性、较好的化学稳定性和较低的熔点与热导率。
目前利用GeSb材料对相变GeSb合金相变性能的调控有三种方法：其一是改变GeSb的原子组成实现相变性能的改变(YifengGu等，Applied Physics A,2009, 99:205-209)；其二是通过其他元素的掺杂，如N掺GeSb(Audery Bastard等， MRS proceedings,2010,1251:03-22)；第三种是制备超晶格(多层)相变材料，如 GeSb/Ge(Pengzhi Wu等，SPIEProceeding，2016,9818)。第三种方法研究还比较少，同时也没有通过Al等导电金属薄膜实现超晶格调控的研究。
GeSb系列存储材料在相变材料中占有重要地位，然而其热稳定性不能满足很多行业的需要，一直制约着其发展。因此，寻求一种热稳定性好的GeSb存储材料成为信息技术进步的必然之路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术服GeSb系列存储材料的热稳定性不理想的缺陷，提供一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料及制备方法。
本发明提供了一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料，所述Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料是多层复合膜结构，由Al层和Ge10Sb90层交替沉积复合而成，将Al层和Ge10Sb90层作为一个交替周期，后一个交替周期的Al层沉积在前一个交替周期的Ge10Sb90层上方。
所述Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的膜结构用通式[Al(a)/Ge10Sb90 (b)]x表示，其中a为单层Al层的厚度，1nm≤a≤50nm；b为单层Ge10Sb90层的厚度，1nm≤b≤50nm；x为Al层和Ge10Sb90层的交替周期数，x为正整数。
进一步地，所述Ge10Sb90层中含有Ge和Sb两种元素，Ge和Sb的原子比为1∶9。
进一步地，所述6nm≤(a+b)*x≤80nm。
进一步地，所述30nm≤(a+b)*x≤70nm。
一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
①SiO2/Si(100)基片的准备，将基片洗净烘干待用；
②磁控溅射的准备，将步骤①洗净的待溅射的基片放置在基托上，将Al 合金和Ge10Sb90作为溅射靶材分别安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜***的溅射腔室进行抽真空，使用高纯氩气作为溅射气体；
③磁控溅射制备[Al(a)/Ge10Sb90(b)]x多层复合薄膜；
a、首先清洁Ge10Sb90合金靶材和Al靶材表面；
b、靶材表面清洁完毕后，将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Al合金靶位，打开靶挡板开始溅射Al层，Al层溅射完成后，关闭Al合金靶位靶挡板；
c、将已经溅射了Al层的基片旋转到Ge10Sb90靶位，开启Ge10Sb90靶位上的挡板，溅射结束后得到Ge10Sb90层；
d、重复上述步骤b和c，重复次数为x-1次，溅射结束得到用于高速低功耗相变存储器的Ga40Sb60/Sb类超晶格相变薄膜材料。
进一步地，在所述步骤②中高纯氩气的体积百分比≥99.999％，Ar气流量为25～35SCCM，氩气溅射气压为0.15Pa～0.35Pa。
在所述步骤③b中Al层的溅射速率为3～5s/nm，在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为2～4s/nm。
本发明的有益效果：(1)本发明采用用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料，是一种新型相变材料，不仅热稳定性好，同时又保留其速度快、功耗低的优点；(2)在相同的温度下，电阻变化速率越大，则结晶快，结晶速率越快，高阻到低阻的操作时间缩短，从而提高器件的操作速度。(3)在外部能量的作用下，可顺利实现高阻态和低阻态之间的可逆转变，利用可逆转变前后高低阻值的差异来实现数据的存储。由于Al的加入，提高了Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的数据保持力，增强了器件的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1至实施例5的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料和对比例的相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图；
图2为本发明对比例的Ge10Sb90相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图3为本发明实施例1[Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图4为本发明实施例2[Al(9nm)Ge10Sb90(3nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图5为本发明实施例3[Al(10nm)Ge10Sb90(2nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料为多层复合膜结构，厚度为48～72nm；由由Al层和Ge10Sb90层交替沉积复合而成，即在薄膜中，按照Al层-Ge10Sb90层-Al层-Ge10Sb90层…的顺序重复交替排列。
将一层Al层和一层Ge10Sb90层作为一个交替周期，后一个交替周期的Al 层沉积在前一个交替周期的Ge10Sb90层上方。Ge10Sb90层中含有Ge和Sb两种元素，Ge和Sb的原子比为1∶9。
Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的膜结构用通式[Al(a)/Ge10Sb90(b)]x表示，其中a为单层Al层的厚度，1nm≤a≤50nm；b为单层Ge10Sb90层的厚度， 1nm≤b≤50nm；x为Al层和Ge10Sb90层的交替周期数，x为正整数。
实施例1
本实施例的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料膜结构为 [Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5，即每一层Al层的厚度为8nm，每一层Ge10Sb90层的厚度为4nm，Al层和Ge10Sb90层的交替周期数为5，[Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
本实施例的[Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5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：
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分，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。
②磁控溅射的准备。
在磁控溅射镀膜***(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Ge10Sb90合金(纯度99.999％，原子百分比Ge∶ Sb＝1∶9)和Al(原子百分比含量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***的溅射腔室进行抽真空直至腔室内真空度达到1×10-4Pa。
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25SCCM，并将氩气溅射气压调节至0.15Pa，设定射频电源的溅射功率为 30W。设定射频电源的溅射功率为25W～35W(本实施例中为25W)。
③磁控溅射制备Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5多层复合薄膜；
a、首先清洁Ge10Sb90合金靶材和Al靶材表面。将空基托旋转到Ge10Sb90靶位，打开Ge10Sb90靶位上的直流电源，设定溅射时间100s，开始对Ge10Sb90合金靶材表面进行溅射，清洁Ge10Sb90合金靶材表面；Ge10Sb90合金靶材表面清洁完毕后，关闭Ge10Sb90合金靶位上施加的射频电源，将空基托旋转到Al 靶位，开启Al靶位上的射频电源，设定溅射时间100s，开始对Al靶材表面进行溅射，清洁Al靶材表面，Al靶材表面清洁完毕后，关闭Al靶位上施加的直流电源，将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Al合金靶位。
b、开始溅射第一个交替周期的Al层：打开Al靶材上的射频电源，设定Al层溅射速率为3s/nm，溅射溅射时间16s，溅射结束后得到8nm厚度的 Al层；Al层溅射完成后，关闭Al靶材上施加的射频电源。
c、将已经溅射了Al层的基片旋转到Ge10Sb90靶位，开启Ge10Sb90靶位上的射频电源，设定Ge10Sb90层溅射速率为2s/nm，溅射时间12s，溅射结束后得到4nm厚度的Ge10Sb90层。
d、重复上述步骤b和c，重复次数为4次，得到Al层-Ge10Sb90层-Al
层-Ge10Sb90层…的重复交替沉积的Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5多层复合薄膜。
实施例2
本实施例的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料膜结构为 [Al(9nm)Ge10Sb90(3nm)]5，即每一层Al层的厚度为9nm，每一层Ge10Sb90层的厚度为3nm，Al层和Ge10Sb90层的交替周期数为5，[Al(9nm)Ge10Sb90(3nm)]5超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：在②磁控溅射的准备中，设定Ar气流量为30SCCM，并将氩气溅射气压调节至0.25Pa，设定射频电源的溅射功率为28W。在步骤③b中Al层的溅射速率为4s/nm，溅射时间是18s；在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为3s/nm，溅射时间是9s。
实施例3
本实施例的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料膜结构为 [Al(10nm)Ge10Sb90(2nm)]5，即每一层Al层的厚度为10nm，每一层Ge10Sb90层的厚度为2nm，Al层和Ge10Sb90层的交替周期数为5，[Al(10nm)Ge10Sb90(2nm)]5超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：在②磁控溅射的准备中，设定Ar气流量为35SCCM，并将氩气溅射气压调节至0.25Pa，设定射频电源的溅射功率为30W。
在所述步骤③b中Al层的溅射速率为5s/nm，溅射时间是20s；在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为4s/nm，溅射时间是6s。
实施例4
本实施例的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料膜结构为 [Al(12nm)Ge10Sb90(2nm)]4，即每一层Al层的厚度为12nm，每一层Ge10Sb90层的厚度为2nm，Al层和Ge10Sb90层的交替周期数为4，[Al(12nm)Ge10Sb90(2nm)]4超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：在②磁控溅射的准备中，设定Ar气流量为28SCCM，并将氩气溅射气压调节至0.35Pa，设定射频电源的溅射功率为35W。在所述步骤③b中Al层的溅射速率为3s/nm，溅射时间是24s；在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为4/nm，溅射时间是6s。
实施例5
本实施例的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料膜结构为 [Al(14nm)Ge10Sb90(2nm)]4，即每一层Al层的厚度为14nm，每一层Ge10Sb90层的厚度为2nm，Al层和Ge10Sb90层的交替周期数为4，[Al(14nm)Ge10Sb90(2nm)]4超晶格相变薄膜材料的厚度为60nm。
制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：在②磁控溅射的准备中，设定Ar气流量为32SCCM，并将氩气溅射气压调节至0.22Pa，设定射频电源的溅射功率为32W。在所述步骤③b中Al层的溅射速率为5s/nm，溅射时间是28s；在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为3/nm，溅射时间是6s。
对比例
本例制备单层的Ge10Sb90相变薄膜材料以作为对比，厚度60nm。按照实施例1的方法，Ge10Sb90溅射速率为2s/nm，溅射时145s，溅射结束后得到60nm 厚度的单层Ge10Sb90相变薄膜材料。
为了了解本发明的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的性能，对实施例1 至实施例5制得的薄膜材料和对比例制得的Ge10Sb90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图。
图1为本发明实施例1至实施例5的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料和对比例的相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图；
图2为本发明对比例的Ge10Sb90相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图3为本发明实施例1[Al(8nm)Ge10Sb90(4nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图4为本发明实施例2[Al(9nm)Ge10Sb90(3nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线；
图5为本发明实施例3[Al(10nm)Ge10Sb90(2nm)]5相变薄膜材料的电阻与时间变化曲线图，插图为相应的阿伦尼乌斯曲线。
以上仅是本发明的部分实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作的任何简单的修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案范围内。
Claims (4)
1.一种用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料，其特征在于：所述Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料是多层复合膜结构，由Al层和Ge10Sb90层交替沉积复合而成，将Al层和Ge10Sb90层作为一个交替周期，后一个交替周期的Al层沉积在前一个交替周期的Ge10Sb90层上方；
所述Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的膜结构用通式[Al(a)/Ge10Sb90(b)]x表示，其中a为单层Al层的厚度，a＝10nm；b为单层Ge10Sb90层的厚度，b＝2nm；x为Al层和Ge10Sb90层的交替周期数，x为5；所述多层复合膜其厚度满足(a+b)×x＝60nm。
2.一种如根据权利要求1所述的用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①SiO2/Si(100)基片的准备，将基片洗净烘干待用；
②磁控溅射的准备，将步骤①洗净的待溅射的基片放置在基托上，将Al合金和Ge10Sb90作为溅射靶材分别安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜***的溅射腔室进行抽真空，使用高纯氩气作为溅射气体；
③磁控溅射制备[Al(a)/Ge10Sb90(b)]x多层复合薄膜：
a、首先清洁Ge10Sb90合金靶材和Al靶材表面；
b、靶材表面清洁完毕后，将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Al合金靶位，打开靶挡板开始溅射Al层，Al层溅射完成后，关闭Al合金靶位靶挡板；
c、将已经溅射了Al层的基片旋转到Ge10Sb90靶位，开启Ge10Sb90靶位上的挡板，溅射结束后得到Ge10Sb90层；
d、重复上述步骤b和c，重复次数为x-1次，溅射结束得到用于高速低功耗相变存储器的[Al(a)/Ge10Sb90(b)]x类超晶格相变薄膜材料。
3.根据权利要求2所述的用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤②中高纯氩气的体积百分比≥99.999％，Ar气流量为25～35SCCM，氩气溅射气压为0.15Pa～0.35Pa。
4.根据权利要求2所述的用于相变存储器的Al/Ge10Sb90类超晶格相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤③b中Al层的溅射速率为3～5s/nm，在所述步骤③c中Ge10Sb90层溅射速率为2～4s/nm。
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