PatViewer专利搜索
中国 发明 无效

ZnO掺杂GeSbTe相变存储薄膜材料及其制备方法 【EN】ZnO-doped Ge2SbTe5 phase-change storage thin film material and preparation method therefor

申请(专利)号:CN201610836230.0国省代码:浙江 33
申请(专利权)人:【中文】宁波大学【EN】Ningbo University
温馨提示:Ctrl+D 请注意收藏,详细著录项请登录检索查看。 Please note the collection. For details, please search the home page.

摘要:
【中文】本发明公开了ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料及其制备方法,特点是其化学结构式为(ZnO)x(GST)100‑x,其中0<x≤20.1at%,具体制备步骤如下:在磁控溅射镀膜系统中,采用石英片或氧化硅片为衬底,将ZnO靶材安装在磁控直流溅射靶中,将GST靶材安装在磁控射频溅射靶中,将溅射腔室进行抽真空直至1.6×10‑4Pa,然后通入高纯氩气直气压0.3Pa,控制ZnO靶的溅射功率为0‑20W,GST靶为70W,于室温下溅射镀膜200秒;将薄膜样品放入快速退火炉中,进行退火,即得到热处理后的ZnO掺杂GST相变存储薄膜材料,优点是晶态电阻大,结晶温度高,热稳定性好,寿命长,低功耗。 【EN】Paragraph:The invention discloses a ZnO-doped Ge2SbTe5 phase-change storage thin film material and a preparation method therefor. The material is characterized in that the chemical structural formula is (ZnO)(GST)<100-x>, wherein x is greater than zero, but not greater than 20.1at%. The method comprises the specific steps: employing a quartz plate or a silicon oxide wafer as the substrate in a magnetron sputtering coating system; enabling a ZnO target to be installed in a magnetic control DC sputtering target; enabling a GST target to be installed in a magnetic control radio-frequency sputtering target; carrying out the vacuum pumping of a sputtering cavity till the pressure intensity is 1.6*10<-4> Pa, and then letting in high-purity argon gas till the pressure intensity is 0.3Pa; controlling the spluttering power of the ZnO target in the range from 0 to 20 W, controlling the spluttering power of the GST target as 70W, and carrying out the spluttering coating under the room temperature for 200 seconds; enabling a coating sample to be put in a quick annealing furnace for annealing, i.e., obtaining the ZnO-doped GST phase-change storage thin film material after thermal processing. The material is advantageous in that the material is large in crystalline state resistance, is high in crystallization temperature, is good in thermal stability, is long in service life, and is low in power consumption.Image:201610836230.GIF

主权项:
【中文】一种ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其特征在于:其化学结构式为(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100‑x,其中0<x≤20.1at%。 【EN】1. a kind of ZnO doping GeSbTePhase transiting storing thin-film material it is characterised in that:Its chemical structural formula is (ZnO) (GeSbTe), wherein 0


说明书

ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及相变存储材料技术领域,尤其是涉及ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜

材料及其制备方法。

背景技术

非易失存储器是一种属于支撑我国网络通信、高性能计算和数字应用、消费电子

等电子信息产业发展的核心器件。目前市场上主流的非易失存储器—闪存(FLASH)已被广

泛应用于分立式和嵌入式芯片中,但是随着存储密度提高,闪存受电荷存储机理的限制出

现电子泄漏,使得信息存储不再稳定。工业界普遍预言很难突破20 nm的技术极限,且读写

时间长(µs量级)的缺陷限制了其成为未来主流存储器的可能性。市场迫切需要一种新型半

导体存储技术来替代FLASH,使得存储技术继续保持着微型和海量存储的发展方向。相变存

储器(PRAM)具有尺寸等比例缩小的能力,已证实~1.1 nm尺寸的相变材料仍能实现信息的

存储。此外,PRAM与现有的CMOS工艺兼容,并且具有读/写速度快(20 ns/10 ns)、循环寿命

长(大于1012)、受环境影响小等优点,因此,受到了极大关注。

纳米复合相变材料是一种新型的相变材料,其特点在于通过将相变材料与介质材

料在纳米尺度下均匀复合,有效地将相变材料隔离成纳米尺寸的区域。小尺寸效应和介质

材料包裹作用细化了晶粒颗粒,增加材料的晶态电阻进而降低器件的功耗。2010年S.W.

Ryu等人(Nanotechnology 2011, 22(25):254005)研究发现在Ge2Sb2Te5中引入~7mol%

SiO2后使得热导率从~0.4降低到~0.18 Wm-1K-1,最终存储器单元的RESET电流降低近50%。D.

Lee等人(Electrochem. Solid-State Lett. 2010, 13(2):K8-K11)选择TiOx与Ge2Sb2Te5

复合,当引入28mol% TiOx时,热导率减小至~0.1 Wm-1K-1,器件功耗有望进一步降低。上海微

系统所S.N. Song等人报道Ge2Sb2Te5-HfO2Appl. Phys. A. 2010, 99(4):767-770)薄膜

在2.3 V-1000 ns脉冲作用下,RESET过程中所耗能量仅6.15×10-11 J,远优于传统的

Ge2Sb2Te5 (1.89×10-9 J),体积变化率也仅~5.1% (Ge2Sb2Te5: ~6.8%)。可见,纳米复合薄

膜作为存储介质层在降低功耗、减小体积变化等方面展现出了优异的性能。但是,SiO2

TiOx,HfO2等对Ge2Sb2Te5的非晶热稳定的改善方面还有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结晶温度高,热稳定性好,结晶速度快,寿

命长,功耗低的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储

薄膜材料,其化学结构式为(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x,其中0<x≤20.1at%。

上述ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储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:

(1)在磁控溅射镀膜系统中,采用石英片或氧化硅片为衬底,将氧化锌靶材安装在磁控

直流溅射靶中,将Ge2Sb2Te5靶材安装在磁控射频溅射靶中,将磁控溅射镀膜系统的溅射腔

室进行抽真空直至室内真空度达到1.6×10-4Pa,然后向溅射腔室内通入体积流量为50ml/

min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压0.3Pa,然后控制ZnO靶的溅射

功率为0-20W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70W,于室温下溅射镀膜,溅射200秒后,即得到

沉积态的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料;

(2)将步骤(1)得到的沉积态的相变存储薄膜样品放入快速退火炉中,在高纯氩气氛围

保护下,迅速升温至200-350℃下进行退火,即得到热处理后的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储

薄膜材料。

所述的Ge2Sb2Te5靶材的靶位与所述的衬底之间以及所述的ZnO靶材的靶位与所述
的衬底之间的垂直距离分别为9cm,所述的Ge2Sb2Te5靶位与所述的ZnO靶位对称分布在所述
的衬底两侧且相互之间的距离为9cm。

所述的Ge2Sb2Te5靶材和所述的ZnO靶材的纯度均为99.99%。

与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材

料,其化学结构式为(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x,其中0<x≤20.1at%,该薄膜的结晶温度(Tc)为

176-252℃,结晶活化能(Ea)为2.4-3.1eV,数据保存10年的最高温度为89-148℃,350℃时

的晶态电阻为89.203-4751.82Ω;该薄膜利用介质材料ZnO与传统GST材料构建纳米复合相

变材料是一种新型的功能存储材料,其特点在于通过将相变材料与介质材料在纳米尺度下

均匀复合,有效地将相变材料隔离成纳米尺寸的区域。利用小尺寸效应和介质材料包裹作

用细化了晶粒颗粒,增加了晶界,减小材料的热导率并增加了晶态电阻,进而降低器件的功

耗。该相变存储薄膜材料制备过程中,通过适当调节靶材功率,可获得掺杂ZnO含量不同的

(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜,与未经掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜相比,该薄膜的结构与物性均发生

了变化。研究结果表明,随着ZnO掺杂量的增加,样品的非晶电阻和晶态电阻均在增加,有利

于降低PRAM的功耗。此外,结晶温度和相变温度也增加,且样品的面心立方(fcc)相更加稳

定。这些优异性能表明ZnO掺杂Ge2Sb2Te5薄膜有着更好的热稳定性和数据保持力,有利于

PRAM数据保存寿命提高。

综上所述,本发明ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料及其制备方法,利用高热稳

定ZnO掺杂改良Ge2Sb2Te5薄膜以提高其结晶温度,结晶活化能,十年保温寿命等,同时提高

其晶态电阻以达到既增加薄膜非晶热稳定性又降低器件功耗的目的。

附图说明

图1为不同组分(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x 薄膜方块电阻随温度变化关系曲线;

图2 为不同组分(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x 薄膜的激活能和数据保持力计算结果图;

图3为经200℃退火的各个(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x 薄膜样品的X射线粉末衍射图谱;

图4为经250℃退火的各个(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x 薄膜样品的X射线粉末衍射图谱;

图5为经350℃退火的各个(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜样品的X射线粉末衍射图谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一、具体实施例

实施例1

ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其化学结构式为(ZnO)x(Ge2Sb2Te5)100-x,其中x=

7.8 at%,其具体制备过程如下:

1、在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中,将ZnO陶瓷靶材安装在磁控直流(DC)溅射靶

中,将Ge2Sb2Te5靶材安装在磁控射频(RF)溅射靶中,采用石英片或氧化硅片为衬底,将磁控

溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到1.6×10-4Pa,然后向溅射腔

室内通入体积流量为50ml/ min(SCCM标况毫升每分)的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到

溅射所需气压0.3Pa,然后控制ZnO靶的溅射功率为8W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70W,

于室温下溅射镀膜,溅射200秒后,即得到沉积态的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其

中ZnO含量为7.8at%。

将制备的薄膜进行原位电阻性能测试,测试结果如图1和图2所示,从图1和图2中

可以看出实施例1制备的薄膜的性能指标如下;结晶温度Tc为200℃,结晶活化能(Ea)为

2.4eV,数据保存10年的最高温度为96℃,350℃时的晶态电阻为1083.25Ω。

2、将上述步骤1得到的沉积态的相变存储薄膜样品放入快速退火炉中,在高纯氩

气氛围保护下,迅速升温至200-350℃下进行退火,得到热处理后的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变

存储薄膜材料。退火期间通入高纯Ar气的作用是为了避免薄膜在高温下发生氧化。

在此具体实施例中,Ge2Sb2Te5靶位与衬底及ZnO靶位与衬底之间的垂直距离分别为
9cm,Ge2Sb2Te5靶位与ZnO靶位对称分布在衬底两侧且相互之间的距离为9 cm。上述
Ge2Sb2Te5靶和所述的ZnO靶材的纯度均为99.99%。

实施例2

与实施例1基本相同,其区别在于,溅射过程中,控制ZnO靶的溅射功率为14W,合金

Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70W,溅射时间为200秒,得到的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜,

其中ZnO含量为12.3at%。

将制备的薄膜进行原位电阻性能测试,测试结果如图1和图2所示,从图1和图2中

可以看出实施例2制备的薄膜性能指标如下:结晶温度(Tc)为218℃,结晶活化能(Ea)为

2.6eV,数据保存10年的最高温度为116℃,350℃时的晶态电阻为1654.78Ω。

实施例3

与实施例1基本相同,其区别在于,溅射过程中,控制ZnO靶的溅射功率为20W,合金

Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70W,溅射时间为200秒,得到的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜,

其中ZnO含量为20.1at%。

将制备的薄膜进行原位电阻性能测试,测试结果如图1和图2所示,从图1和图2中

可以看出实施例3制备的薄膜性能指标如下:结晶温度(Tc)为252℃,结晶活化能(Ea)为

3.1eV,数据保存10年的最高温度为148℃,350℃时的晶态电阻为4751.82Ω。

二、对比实验及结果分析

1、对照试验

与实施例1基本相同,其区别在于ZnO靶的溅射功率为0W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率

为70W,溅射时间为200秒。得到的纯Ge2Sb2Te5相变存储薄膜,其中ZnO含量为0 at%。

将制备的薄膜进行原位电阻性能测试,测试结果如图1和图2所示,从图1和图2中

可以看出对照试验制备的薄膜性能指标如下:结晶温度(Tc)为176℃,结晶活化能(Ea)为

3.0eV,数据保存10年的最高温度为89℃,350℃时的晶态电阻为89.203Ω。

上述对照实验与上述实施例1、实施例2、实施例3的靶材溅射功率和ZnO含量如表1

所示:

表1 不同条件制备下的Ge2Sb2Te5相变存储薄膜样品及其中ZnO的含量

样品编号

GST靶溅射功率(W)

ZnO靶溅射功率(W)

ZnO含量(at%)

Ge2Sb2Te5

70

0

0

(ZnO)7.8(Ge2Sb2Te5)92.2

70

8

7.8

(ZnO)12.3(Ge2Sb2Te5)87.7

70

14

12.3

(ZnO)20.1(Ge2Sb2Te5)79.9

70

20

20.1

2、结果分析

将实施例1、实施例2、实施例3和对照试验中制备的薄膜进行原位电阻性能测试,测试

结果如图1和图2所示。将实施例1、实施例2、实施例3制备的薄膜的性能指标分别与对照试

验制备的薄膜的性能指标相比,其结晶温度明显增加,热稳定性得到提高,另外图2中箭头

指示的10年数据保持力明显增强。并且随着氧化锌含量的增加,结晶温度进一步明显提升,

热稳定性也进一步提高。图2中箭头指示的10年数据保持力也就进一步明显增强。不过,当

引入的ZnO含量(≧20.1at%)过多的时候,会引起薄膜结晶温度偏高,而导致无法实现非晶

到晶态突变,失去相变功能。

图3,图4和图5分别是Ge2Sb2Te5和ZnO掺杂Ge2Sb2Te5薄膜在200℃,250℃和350℃下

退火后的XRD图谱。测试结果表明实施例1,实施例2,实施例3制备的ZnO掺杂Ge2Sb2Te5薄膜

相比于对照例中制备的Ge2Sb2Te5薄膜具有较高的结晶温度,在200℃退火的时候保持良好

的非晶热稳定性。当退火温度为250℃,制备的薄膜开始结晶,析出与Ge2Sb2Te5薄膜一样的

亚稳态面心立方结构(fcc)结构。当退火温度为350℃,制备的薄膜仍保持fcc结构而

Ge2Sb2Te5薄膜已经转变为六方密堆结构(hex)结构。这说明ZnO掺杂Ge2Sb2Te5薄膜从非晶态

到晶态的相变是一个一步结晶过程,即从非晶态变化到亚稳态面心立方结构(fcc),抑制了

Ge2Sb2Te5薄膜六方密堆结构(hex)。以上说明ZnO掺杂提高了相变存储Ge2Sb2Te5薄膜的热稳

定性,抑制了hex结构出现,析出了单一稳定的晶相。提高了相变存储薄膜热稳定性的同时,

进一步提高了相变薄膜材料的结晶速度。

综上所述,本发明所述的一种锌掺杂相变存储薄膜材料,具有稳定的单一晶相,较

高的晶化温度,而且具有较好的数据保持力,能够在高温下较稳...

=>>详细说明书全文请登录检索查看

图1
PatViewer知识产权搜索   专利、商标、地理标志、集成电路
©2018 IPPH.cn  主办单位:国家知识产权局知识产权出版社  咨询热线:01082000860-8588
浏览器:火狐、谷歌、opera、ie9及以上等  京ICP备09007110号 京公网安备 11010802026659号 开放平台