專利名稱：一種用于多級存儲相變存儲器的納米多層復合相變薄膜材料及其制備和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微電子技術領域的材料，具體涉及一種用于多級存儲相變存儲器的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料。
背景技術：
相變存儲器(PCM)作為新一代非易失性存儲器技術，具有高的讀速讀寫、高可靠性、低功耗、壽命長、循環(huán)擦寫次數高等優(yōu)點，同時能夠兼容于COMS工藝(S.Lai and Τ. Lowrey IEDM Tech. Dig.，2000，p. 243)?；谝陨蟽?yōu)點，PCM成為最有望取代目前普遍使用的FLASH技術，占領下一代非揮發(fā)性存儲市場的存儲技術。PCM是利用電流產生的焦耳熱量可逆改變薄膜電阻進行編程，薄膜在高阻值時為非晶態(tài)，在低阻值時為晶態(tài)，高低電阻值分別對應著邏輯數據的“0” 和 “1”(S. W. Ryu 等，Applied Physics Letters，92，142110， 2008)。目前PCM廣泛采用的相變材料是Ge2Sb2Te5薄膜，主要原因在于這種相變材料已經成功應用于相變光盤中(R. E. Simpsom等，Applied Physics Letters，92，141921，2008)，制備工藝成熟。雖然Ge2Sb2Te5薄膜各方面性能均衡，沒有大的缺點，但有很多值得改善的地方第一，與絕大部分相變材料體系一樣，Ge2Sb2Te5薄膜只具有高、低兩個電阻態(tài)對應于邏輯上的“0”和“1”，在存儲密度上有較大改善空間。第二，數據保持能力有待改善，Ge2Sb2Te5 薄膜將數據保持10年的溫度在80°C左右，在較高溫度下數據保持能力會急劇下降。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)相變材料的缺點和不足，提供一種能夠實現(xiàn)多級存儲，且具有優(yōu)異的數據保持能力的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料及其制備方法。與傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5薄膜相比，本發(fā)明的Ge2Sb2Te5ZiGa3c1Sb7c1納米多層復合薄膜則較好的解決了傳統(tǒng)相變材料的缺點和不足。Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl 二者的多層復合使得該材料體系存在兩個相變點，即第一次相變完成后，薄膜材料由高阻態(tài)變?yōu)橹虚g態(tài)，第二次相變完成后則由中間態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，三個狀態(tài)分別對應于邏輯上的“00”、“01”及“11”，如此能夠極大的提高相變存儲器件的存儲密度。此外，由于Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的相互影響， 以及多層復合的特殊層狀結構，該多層復合相變薄膜材料體系的相變溫度明顯高于傳統(tǒng)的 Ge2Sb2Te5薄膜，同時具有較高的相變激活能，極大的提高了材料的熱穩(wěn)定性，使其具有了更好的數據保持能力。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明的能夠實現(xiàn)多級存儲、具有高的數據保持能力的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，通過射頻交替濺射沉積Ge2Sb2Te5層和Ga3tlSb7tl層，在納米量級復合而成。
本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其中的單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜交替排列成多層膜結構，且單層Ge2Sb2Te5薄膜的厚度范圍為10 133nm,單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度范圍為10 133nm ；所述Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為90 200nm。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci可簡寫為GST/Ga3(1Sb7(1。所述Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料的結構符合下列通式[Ge2Sb2Te5(a)/Ga30Sb70(b)]x ；式中a、b分別表示所述單層Ge2Sb2Te5薄膜及單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度， 10彡a彡133nm，10彡b彡133nm且a b的比值在1 2到2 1之間，即0.5彡a b彡2; χ表示單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的交替周期數或者交替層數，且χ = 1、2或 3，通過相變薄膜的總厚度N與所述單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度和計算所得，即 a+b = N/x (nm)。較佳的，a b 為 1 2、1 1. 5、1 1,1. 5 1 或者 2 1。優(yōu)選的，所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜的總厚度為IOOnm ；此時 a+b = 100/x(nm)。本發(fā)明上述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜具有兩個相變溫度，且間距在50°C以上；本發(fā)明上述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜具有高、中、低三個電阻態(tài)。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜在χ大于3時不具有高、中、低三個電阻態(tài)，而只呈現(xiàn)高、低兩個電阻態(tài)。本發(fā)明所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料采用磁控交替濺射方法制備，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為Ge2Sb2TejP Ga3tlSb7tl，濺射氣體為Ar氣。較佳的，所述Ge2Sb2Te5靶材的純度在原子百分比99. 999%以上，所述Ga3tlSb7tl靶材的純度在原子百分比99. 999%以上，本底真空度不大于IX 10_4Pa。較佳的，所述Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl靶材都采用射頻電源，且濺射射頻功率為 15-25W ；濺射射頻功率優(yōu)選為20W。較佳的，所述Ar氣的純度為體積百分比99. 999%以上，氣體流量為25-35SCCM，濺射氣壓為0. 15-0. 25Pa ；優(yōu)選的，所述氣體流量為30SCCM，濺射氣壓為02Pa。本發(fā)明所述單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga3tlSb7tl薄膜的厚度可通過濺射時間來調控。本發(fā)明所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料的制備過程具體包括以下步驟1)清洗 Si02/Si (100)基片；2)安裝好濺射靶材；設定射頻功率，設定濺射氣體流量及濺射氣壓；3)采用室溫磁控交替濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料a)將空基托旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如300s)，開始對Ge2Sb2Te5靶材進行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將空基托旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(如300s)，開始對Ga3tlSb7tl靶材進行濺射 ，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；
c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜；(I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜；e)重復 c)和 d)兩步，即在 Si02/Si (100) 基片上制備 Ge2Sb2Te5/Ga3。Sb70··· Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70多層復合相變薄膜材料；在薄膜總厚度固定的前提下，對于某一確定周期數的薄膜，通過控制Ge2Sb2TepGa3ciSb7ci靶材的濺射時間來調節(jié)多層薄膜周期中Ge2Sb2Te5 和Ga3tlSb7tl單層薄膜的厚度，從而形成所需結構的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料能夠應用于相變存儲器， 與傳統(tǒng)的相變薄膜材料相比具有如下特點首先，Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料具有高、中、低三個電阻態(tài)，能夠實現(xiàn)多級存儲，極大的提高存儲器件的存儲密度；其次，Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料同時具有較高的相變溫度和相變激活能， 具有更好的熱穩(wěn)定性和數據保持能力。


圖1為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]x納米多層復合相變薄膜材料及用于對比的傳統(tǒng)Ge2Sb2Te5薄膜材料原位電阻與溫度的關系曲線，其中χ = 1、2、3 ；Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl 具有相同的單層厚度，即a = b = 100/2x nm。圖2為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復合相變薄膜材料失效時間與溫度倒數的對應關系曲線。圖3為基于本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器的I-V特性曲線。圖4為基于本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器的R-V特性曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。實施例1本實施例中制備的Ge2Sb2Te5ZiGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (33nm) /Ga30Sb70 (67nm) ] l、[Ge2Sb2Te5 (40nm) /Ga30Sb70 (60nm) ] l、 [Ge2Sb2Te5 (50nm) /Ga30Sb70 (50nm) ] l > [Ge2Sb2Te5 (60nm) /Ga30Sb70 (40nm) ] l 禾口 [Ge2Sb2Te5 (67nm) /Ga30Sb70 (33nm) ] 且所述 Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci 納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。制備步驟為1、清洗Si02/Si (100)基片，清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(a)在丙酮溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；
(b)在乙醇溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗，高純N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內烘干水汽，約20分鐘.2、 采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci薄膜前準備(a)裝好Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl濺射靶材，靶材的純度均達到99. 999% (原子百分比)，并將本底真空抽至1 X IO-4Pa ；(b)設定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達到99. 999%),設定濺射氣體流量為30SCCM，并將濺射氣壓調節(jié)至0. 2Pa。3、采用磁控交替濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料a)將空基托旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(300s)，開始對Ge2Sb2Te5靶材進行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(300s)，開始對 Ga30Sb70靶材進行濺射，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜；(I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜。最終所得的[Ge2Sb2Te5/Ga3QSb7Q]1 薄膜總厚度均為 lOOnm，Ge2Sb2Te5 與 Ga3tlSb70 的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制，其中Ge2Sb2Te5的濺射速率為2. 8s/nm, Ga30Sb70的濺射速率為4s/nm。實施例2本實施例中制備的Ge2Sb2Te5ZiGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (Ilnm)/Ga30Sb70 (22nm) ] 3、[Ge2Sb2Te5 (13nm)/Ga30Sb70 (20nm) ] 3、 [Ge2Sb2Te5 (17nm) /Ga30Sb70 (17nm) ] 3、[Ge2Sb2Te5 (20nm) /Ga30Sb70 (1 3nm) ] 3 禾口 [Ge2Sb2Te5 (22nm) /Ga30Sb70 (Ilnm) ] 3，且所述 Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7tl 納米多層復合相變薄膜材料的最終的濺射總厚度均控制為lOOnm。制備步驟為1、清洗Si02/Si (100)基片，清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(a)在丙酮溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；(b)在乙醇溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗，高純N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內烘干水汽，約20分鐘.2、采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci薄膜前準備(a)裝好Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl濺射靶材，靶材的純度均達到99. 999% (原子百分比)，并將本底真空抽至1 X IO-4Pa ；(b)設定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達到99. 999%),設定濺射氣體流量為30SCCM，并將濺射氣壓調節(jié)至0. 2Pa。
3、采用磁控交替濺射方法制備Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料a)將空基托旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(300s)，開始對Ge2Sb2Te5靶材進行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面；WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(300s)，開始對 Ga30Sb70靶材進行濺射，清潔Ga3tlSb7tl靶材表面；c) Ga30Sb70靶材表面清潔完成后將基片旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ge2Sb2Te5薄膜； (I)Ge2Sb2Te5薄膜濺射完成后，關閉Ge2Sb2Te5靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到Ga3tlSb7tl靶位，開啟Ga3tlSb7tl靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間，開始濺射Ga3tlSb7tl薄膜。e)重復c)和d)兩步，即在Si02/Si(100)基片上制備3個交替復合層的Ge2Sb2Te5/ Ga30Sb70··· Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70 多層復合相變薄膜材。最終所得的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ3 薄膜總厚度均為 lOOnm，Ge2Sb2Te5 與 Ga3tlSb7tl 的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制，其中Ge2Sb2Te5的濺射速率為2. 8s/nm, Ga30Sb70 的濺射速率為4s/nm。實施例3 本實施例中制備的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體 分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (20nm)/Ga30Sb70 (30nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (25nm)/Ga30Sb70 (25nm) ] 2、 [Ge2Sb2Te5 (30nm) / Ga30Sb70 (20nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (34nm) / Ga30Sb70 (1 7nm) ] 2 禾口 [Ge2Sb2Te5 (17nm) /Ga30Sb70 (34nm)]2,且所述 Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci 納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為lOOnm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料的制備方法與實施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為lOOnm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制。對比例1本對比例中制備單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料，厚度為lOOnm。制備步驟為1、清洗Si02/Si(100)基片，清洗表面、背面，去除灰塵顆粒、有機和無機雜質(a)在丙酮溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗；(b)在乙醇溶液中強超聲清洗3-5分鐘，去離子水沖洗，高純N2吹干表面和背面；(c)在120°C烘箱內烘干水汽，約20分鐘.2、采用射頻濺射方法制備Ge2Sb2Te5薄膜前準備(a)裝好6%51321^5濺射靶材，靶材的純度均達到99.999% (原子百分比)，并將本底真空抽至1 X IO-4Pa ；(b)設定射頻功率為20W ；(c)使用高純Ar作為濺射氣體(體積百分比達到99. 999%),設定濺射氣體流量為30SCCM，并將濺射氣壓調節(jié)至0. 2Pa。3、采用磁控濺射方法制備Ge2Sb2Te5相變薄膜材料
a)將空基托旋轉到Ge2Sb2Te5靶位，打開Ge2Sb2Te5靶上的射頻電源，依照設定的濺射時間(300s)，開始對Ge2Sb2Te5靶材進行濺射，清潔Ge2Sb2Te5靶材表面； WGe2Sb2Te5靶材表面清潔完成后，關閉靶上所施加的射頻電源，將基片旋轉到 Ge2Sb2Te5靶位，開啟Ge2Sb2Te5靶位上的射頻電源，依照設定的濺射時間(280s)，開始濺射 Ge2Sb2Te5薄膜。即在Si02/Si (100)基片上制備了厚度為IOOnm的Ge2Sb2Te5薄膜。將上述實施例1-3 的[Ge2Sb2Te5ZGa30SbJ1, [Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70]2，[Ge2Sb2Te5/ Ga3tlSb7J3納米多層復合相變薄膜材料和對比例1的單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料進行測試得到各相變薄膜材料的原位電阻與溫度的關系曲線圖1，圖1中Ge2Sb2Te5和Ga3tlSb7tl具有相同的單層厚度；將上述實施例 3 的[Ge2Sb2Te5 (20nm) /Ga30Sb70 (30nm) ] 2、[Ge2Sb2Te5 (25nm) / Ga30Sb70 (25nm) ]2、[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga30Sb70 (20nm) ]2 禾口 [Ge2Sb2Te5 (34nm)/Ga30Sb70 (17nm) ]2 納米多層復合相變薄膜材料和對比例1的單層Ge2Sb2Te5相變薄膜材料進行測試得到各相變薄膜材料的失效時間與溫度倒數的對應關系曲線圖2 ；將上述實施例3的 [Ge2Sb2Te5 (30nm) /Ga30Sb70 (20nm) ]2納米多層復合相變薄膜材料進行測試得到其相變存儲器的I-V特性曲線圖3和其相變存儲器的I-V特性曲線圖4 ；圖1-圖4的檢測結果如下圖1為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]x納米多層復合相變薄膜材料及用于對比的傳統(tǒng)Ge2Sb2Tej^膜材料原位電阻與溫度的關系曲線，測試過程中的升溫速率為30°C /min。 在低溫下，所有薄膜處于高電阻的非晶態(tài)，隨著溫度的不斷升高，薄膜電阻緩慢降低，達到第一個相變溫度時，部分薄膜開始晶化，相應的電阻開始快速下降，溫度達到220°C左右時薄膜轉變?yōu)樘幱谥虚g電阻態(tài)的多晶_非晶混合態(tài)。隨著溫度的進一步升高，薄膜在溫度達到第二個相變點時開始第二次晶化過程，最終整個多層薄膜完全轉化為多晶態(tài)，電阻也下降到最低。這個過程在實際應用中是通過施加電脈沖的方式產生焦耳熱使相變薄膜材料在非晶態(tài)(高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉變。兩個相變溫度的間距在70°C左右，保證在實際應用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實際應用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關比。圖2為本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復合相變薄膜材料失效時間與溫度倒數的對應關系曲線。根據業(yè)內的統(tǒng)一評判標準之一，利用相變材料將數據保持10年時對應的溫度來評判材料的數據保持能力?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5薄膜材料將數據保持 10年的溫度為84. 5°C，而本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復合相變薄膜材料則將數據保持10年的溫度提升到了 110°C以上。若以傳統(tǒng)的Ge2Sb2Tej^膜材料的保持能力為標準，本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci]2納米多層復合相變薄膜材料則可以在84. 5°C的環(huán)境中將數據保持到1. 89 X IO11秒(6000年)。因此，本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ 2納米多層復合相變薄膜材料具有更優(yōu)異的數據保持能力。圖3為基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga3tlSb7tl(20nm)]2納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器的I-V特性曲線。初始本發(fā)明的[Ge2Sb2Te5 (30nm)/Ga3tlSb7tl (20nm)]2納米多層復合相變薄膜材料處于高電阻狀態(tài)，隨著電流增加至5X ICT5A時，薄膜材料的電阻驟減， 實現(xiàn)第一次相變，進入中間態(tài)；當電流進一步增加至4X ICT4A時，薄膜材料電阻再次驟減， 實現(xiàn)第二次相變，進入低阻狀態(tài)。 圖4為基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5 (30nm) /Ga30Sb70 (20nm) ] 2納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器的R-V特性曲線。對已經處于低阻狀態(tài)的基于[Ge2Sb2Te5(30nm)/ Ga30Sb70 (20nm) ] 2納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器施加電流脈沖，當電壓達到3. 4V 時，薄膜材料由低阻狀態(tài)變?yōu)橹虚g阻值狀態(tài)，當電壓進一步升高至4. 5V時，薄膜材料由中間阻值態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。結合圖4可以說明，基于本發(fā)明[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga3tlSb7tl(20nm)]2 納米多層復合相變薄膜材料的相變存儲器已經完全實現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉換，即可以實現(xiàn)對應于“ OO，，、“ 01”、“ 11，，的多態(tài)存儲。經檢測，實施例1-3的其他Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料均在非晶態(tài)(高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉變。兩個相變溫度的間距在70°C左右，保證在實際應用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實際應用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與 器件的開/關比。該材料將數據保持10年的溫度提升到了 110°C以上，具有更優(yōu)異的數據保持能力，且完全實現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉換，即可以實現(xiàn)對應于“00”、“01”、“11”的多態(tài)存儲。實施例4本實施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體分另1J 為[Ge2Sb2Te5 (67nm) /Ga30Sb70 (133nm) ] 1 禾口 [Ge2Sb2Te5 (133nm)/Ga30Sb70 (67nm) ] i 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為200nm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料的制備方法與實施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為200nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制。經檢測，本實施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉變。兩個相變溫度的間距在70°C左右，保證在實際應用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實際應用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關比。該材料將數據保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數據保持能力，且完全實現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉換，即可以實現(xiàn)對應于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲。實施例5本實施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體分別為[Ge2Sb2Te5 (IOnm)/Ga30Sb70 (20nm)] 3 禾口 [Ge2Sb2Te5 (20nm)/Ga30Sb70 (IOnm) ] 3 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為90nm。上述各Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料的制備方法與實施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aia3ciSbJ2薄膜總厚度均為90nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制。經檢測，本實施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉變。兩個相變溫度的間距在70°C左右，保證在實際應用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實際應用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關比。該材料將數據保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數據保持能力，且完全實現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉換，即可以實現(xiàn)對應于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲。實施例6
本實施例中制備的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料結構具體分另Ij 為[Ge2Sb2Te5(45nm)/Ga30Sb70 (30nm) ]2 和[Ge2Sb2Te5(30nm)/Ga30Sb70 (45nm) ]2 且所述 Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為150nm。 上述各Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米復合多層相變薄膜材料的制備方法與實施例2相同，最終所得的[Ge2Sb2Te5Aki3ciSb7ci]2薄膜總厚度均為150nm，且Ge2Sb2Te5與Ga3tlSb7tl的單層薄膜厚度均通過濺射時間的不同來控制。經檢測，本實施例的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料均在非晶態(tài) (高阻值)、混合態(tài)(中間阻值)和多晶態(tài)(低阻值)之間發(fā)生可逆轉變。兩個相變溫度的間距在70°C左右，保證在實際應用中兩次相變的溫度區(qū)分；此外，兩次相變過程的電阻下降均在10倍以上，也保證了在實際應用中不同電阻態(tài)讀出的可靠性與器件的開/關比。該材料將數據保持 ο年的溫度提升到了 iio°c以上，具有更優(yōu)異的數據保持能力，且完全實現(xiàn)了高、中、低三態(tài)之間的轉換，即可以實現(xiàn)對應于“ 00 ”、“ 01 ”、“ 11，，的多態(tài)存儲。
權利要求
1.一種Gejb2Te5A^3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于，所述Gejb2Te5/ Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料中單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜交替排列成多層膜結構，且單層Ge2Sb2I^5薄膜的厚度和單層(^a3tlSb7tl薄膜的厚度均為10 133nm ；所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7tl納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為90-200nm。
2.如權利要求1所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于， 所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料的結構符合下列通式[Ge2Sb2Te5 (a) /Ga30Sb70(b) ]x ；式中，a、b分別表示所述單層Ge2Sb2I^5薄膜及單層G^lSb7tl薄膜的厚度， 10彡a彡133nm, 10彡b彡133nm，且a b的比值為(1 2) O 1) ；χ表示單層 Ge2Sb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜的交替周期數或者交替層數，且χ為正整數1、2或3，χ通過相變薄膜的總厚度N與所述單層Gejb2Te5薄膜和單層G^lSb7tl薄膜的厚度和計算所得， 即 a+b = N/x(nm)。
3.如權利要求2所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于， 所述 a b 的比值為 1 2、1 1. 5,1 1,1. 5 1 或者 2 1。
4.如權利要求2所述的Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于， Pm Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜的總厚度為lOOnm。
5.如權利要求1-4任一項所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于，所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料具有兩個相變溫度，且兩相變溫度的間距在50°C以上。
6.如權利要求1-4任一項所述的Ge2Sb2Te5Aia3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，其特征在于，所述Ge52Sb2Te5A^3tlSb7tl納米多層復合相變薄膜材料具有高、中、低三個電阻態(tài)。
7.如權利要求1-6任一項所述的Ge52Sb2Tii5A^3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料的制備方法，其特征在于，采用磁控交替濺射方法制備所述Ge2Sb2Te5ZGa3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料，襯底采用Si02/Si (100)基片，濺射靶材為Ge2Sb2I^5和fe3(1Sb7(1，濺射氣體為Ar 氣。
8.如權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述Ge52Sb2Te55靶材的純度在原子百分比99. 999 %以上，所述fei3(1Sb7(1靶材的純度在原子百分比99. 999 %以上，本底真空度不大于 1 X KT4Pa ；所述Ar氣的純度為體積百分比99. 999%以上。
9.如權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述Ge2Sb2I^5和(^a3tlSb7tl靶材濺射都采用射頻電源，且濺射射頻功率為15-25W;所述Ar氣的氣體流量為25-35SCCM，濺射氣壓為 0. 15-0. 25Pa ；所述單層Ge2Sb2I^5薄膜和單層fei3(1Sb7(1薄膜的厚度通過濺射時間來調控。
10.如權利要求1-6任一項所述的Ge52Sb2Tii5A^3ciSb7ci納米多層復合相變薄膜材料在多級存儲相變存儲器中的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多級存儲相變存儲器的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料中單層Ge2Sb2Te5薄膜和單層Ga30Sb70薄膜交替排列成多層膜結構，且單層Ge2Sb2Te5薄膜的厚度和單層Ga30Sb70薄膜的厚度均為10~133nm；所述Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜材料的總厚度為90-200nm。本發(fā)明的Ge2Sb2Te5/Ga30Sb70納米多層復合相變薄膜用于相變存儲器中能夠實現(xiàn)多級存儲，同時具有較高的熱穩(wěn)定性，對數據的保持能力極強。
文檔編號B82Y30/00GK102354729SQ20111030675
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權日2011年10月11日
發(fā)明者孫明成, 汪昌州, 沈波, 翟繼衛(wèi) 申請人:同濟大學