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一种稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料及其制备方法 【EN】A kind of rare earth Er doping Ge

申请(专利)号:CN201710112369.5国省代码:浙江 33
申请(专利权)人:【中文】宁波大学【EN】Ningbo University
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摘要:
【中文】本发明公开了一种用于相变存储器的稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5薄膜材料及其制备方法,特点是其化学结构式为(Er)x(Ge2Sb2Te5)100‑x,其中0<x≤1.4,制备方法具体步骤为:将稀土Er靶材安装在磁控直流溅射靶中,控制Er靶的溅射功率为0‑4W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70‑78W,于室温下溅射镀膜,溅射100nm,即得到沉积态的Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料;优点是该薄膜材料具有单一稳定的面心立方结构相,具有较高结晶温度,较大的晶态电阻,较大非晶态与晶态之间明显的电阻差异,较好的热稳定性。 【EN】Paragraph:The invention discloses a kind of rare earth Er doping Ge for phase transition storageImage:201710112369.GIF

主权项:
【中文】一种稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其特征在于:其化学结构式为(Er)x(Ge2Sb2Te5)100‑x,其中0<x≤1.4。 【EN】The Ge 1. a kind of rare earth Er adulteratesSbTePhase transiting storing thin-film material, it is characterised in that:Its chemical structural formula is (Er) (GeSbTe), wherein 0


说明书

一种稀土Er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,尤其是涉及一种稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存

储薄膜材料及其制备方法。

背景技术

随着半导体工艺的不断进步和发展,人们对各种便携式电子产品持续增长的市场

需求不断扩大,并且对存储器容量和速度等各个方面的要求也越来越高。目前非易失存储

器市场的主流是闪存,由于闪存自身存在的一些不足,如较长的写入时间(>10µs)和较低的

循环次数(~106),很难满足未来半导体存储器发展对更高擦写速度和存储密度的要求。同

时由于电荷存储的基本要求,浮栅不能无限制地减薄,很难突破20nm半导体制程的技术瓶

颈。PCRAM(相变存储技术)是近年才兴起的一种新型存储技术,它利用相变薄膜材料在光电

脉冲作用下实现晶态和非晶态之间可逆相变来实现数据存储。因为不仅满足非易失存储器

的各种要求且制作工艺也相对简单,引起了业界和科学界的关注。目前基于硫系化合物的

PCRAM被认为是最具前景的非易失存储器,最有希望成为下一代主流存储器。其对相变存储

材料有着独特的性能要求,目前应用于相变存储器中作为相变介质层的主要组分是

Ge2Sb2Te5(GST)。GST薄膜具有独特的相变过程,可以将过程分为两步:(1) 在200℃左右,从

非晶态结构结晶到亚稳态面心立方结构(fcc),(2) 在320℃左右,从fcc继续转变到六方密

堆结构(hex)。而在实际应用中传统的GST材料存在以下缺点,如由于GST在相变时经历了三

个结构变化过程,结晶速度较慢,一般为几百ns,影响到擦写速度和器件的可靠性。GST的结

晶温度较低(约168℃),晶态电阻较低,会引起以传统GST材料为存储介质的PCRAM存储单元

的功耗较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有单一均相,较高的结晶温度,较高的

晶态电阻,较大的非晶态/晶态电阻比,热稳定性好以及低功耗的用于相变存储器的稀土Er

掺杂 Ge2Sb2Te5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:一种稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存

储薄膜材料,其化学结构式为(Er)x(Ge2Sb2Te5)100-x,其中0<x≤1.4。

所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为(Er)1.4(Ge2Sb2Te5)98.6

所述的(Er)x(Ge2Sb2Te5)100-x相变存储薄膜材料由Ge2Sb2Te5合金靶和Er单质靶在

磁控溅射镀膜系统中通过双靶共溅射获得。

上述稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料的制备方法,采用双靶共溅射方法获

得,具体步骤如下:在磁控溅射镀膜系统中,采用石英片或氧化硅片为衬底,将稀土Er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2.0×10-4Pa,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0.2Pa,然后控制Er

靶的溅射功率为0-4W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70-78W,于室温下溅射镀膜,溅射200

秒后,即得到沉积态的Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料;随后放入快速退火炉中,在高纯

氩气氛围保护下,迅速升温至200-350℃下进行退火,即得到热处理后的稀土Er掺杂

Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其化学结构式为(Er)x(Ge2Sb2Te5)100-x,其中0<x≤1.4。

所述的相变存储薄膜材料的化学结构式为(Er)1.4(Ge2Sb2Te5)98.6

与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明一种用于相变存储器的稀土Er掺杂

Ge2Sb2Te5薄膜材料,其化学结构式为Erx(Ge2Sb2Te5)100-x,其中0<x≤1.4。该薄膜的结晶温度

为168~183℃,晶态电阻(Ea)为378~3727Ω,非晶/晶态电阻比为1249-87646。随着Er掺杂含

量的增加,样品的结晶温度和晶态电阻相对于未经掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜均在增加,较高的

结晶温度使得该体系具有较好的非晶态热稳定性,较高的晶态电阻率和较大的非晶态/晶

态电阻之比,有利于降低器件功耗和提高开关比;随着稀土Er掺杂含量的增加,相变薄膜材

料在相变过程中亚稳态面心立方结构(fcc)转化为六方密堆结构(hex)这一过程被抑制,有

效控制相分离,有助于器件稳定性。

综上所述,与传统Ge2Sb2Te5存储材料相比,本发明提供的稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5

膜材料,通过在GST中引入稀土元素Er,抑制GST在相变时从fcc结构转变为hex结构这一过

程,提高其结晶速度以及相变时器件的稳定性,同时提高GST相变材料的结晶温度和晶态电

阻,从而降低器件的功耗和提高器件的热稳定性;其具有单一均相,结晶温度高,热稳定性

好,晶态电阻大,电阻开关比大,通过Er掺杂提升了传统GST材料的性能,更好地适用于相变

存储器件中。

附图说明

图1为不同组分Erx(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Erx(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜晶态电阻和非晶/晶态电阻比随Er含量变化关

系;

图3为Er0.4(Ge2Sb2Te5)99.6薄膜样品在不同退火温度下的X射线衍射图;

图4为Er0.7(Ge2Sb2Te5)99.3薄膜样品在不同退火温度下的X射线衍射图;

图5为Er1.4(Ge2Sb2Te5)98.6薄膜样品在不同退火温度下的X射线衍射图;

图6为Er掺杂高于1.4at%的Erx(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜方块电阻随温度变化关系曲线。

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

本发明一种稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料,其化学结构式为Erx

(Ge2Sb2Te5)100-x,其中x=0.4,其具体制备过程如下:

1、在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中,将Er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2.0×10-4Pa,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

所需起辉气压0.2Pa,然后控制Er靶的溅射功率为4W,合金Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为78W,于

室温下溅射镀膜100nm,即得到沉积态的Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜材料。

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Er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。

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,实施例1制备的薄膜
的性能指标如下:稀土Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜Erx(Ge2Sb2Te5)100-x中Er含量为0.4
at%,结晶温度为176℃,350℃下晶态电阻为654Ω,非晶/晶态电阻比为7118。

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Er靶的溅射功率为4W,合金

Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为75W,得到的Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜Erx(Ge2Sb2Te5)100-x

Er含量为0.7 at%。

将制备的薄膜进行原位电阻测试,测试结果如图1和图2所示,实施例2制备的薄膜
的性能指标如下:结晶温度为181℃,350℃下晶态电阻为975Ω,非晶/晶态电阻比为
16644。

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Er靶的溅射功率为4W,合金

Ge2Sb2Te5靶的溅射功率为70W,得到的Er掺杂Ge2Sb2Te5相变存储薄膜Erx(Ge2Sb2Te5)100-x

Er含量为1.4 at%。

将制备的薄膜进行原位电阻测试,测试结果如图1和图2所示,实施例2制备的薄膜
的性能指标如下:结晶温度为183℃,350℃下晶态电阻为3727Ω,非晶/晶态电阻比为
40205。

二、对比试验及结果分析

1、对照实验

与实验例1基本相同,其区别在于Er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。所制备的薄膜组分Er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中可看出对照试验制备的薄膜性能指标如
下:结晶温度为168℃,350℃下晶态电阻为378Ω,非晶/晶态电阻比为87646。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Er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Er的含量


2、结果分析

将实施例1、实施例2、实施例3和对照实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。由于薄膜的电阻在结晶温度()处急剧下降,从图1中可以看出,传统
的Ge2Sb2Te5薄膜具有两次结晶现象,随着稀土Er含量的增加,薄膜在相变过程中亚稳态面
心立方结构(fcc)转化为六方密堆结构(hex)这一过程被抑制,析出了单一稳定的晶相,材
料的结晶温度也明显升高,说明材料的非晶热稳定性得到提高。由图2可知,随着Er含量的
增加,材料的晶态电阻逐渐增加,并在Er含量增加为1.4 at%时,晶态电阻迅速增加至3727
Ω,非晶态/晶态电阻比仍保持在102以上。

图3、图4和图5分别为不同组分Er0.4(Ge2Sb2Te5)99.6、Er0.7(Ge2Sb2Te5)99.3、Er1.4

(Ge2Sb2Te5)98.6的薄膜样品在不同温度下退火后的X射线衍射图。众所周知,对照实验制备

的传统Ge2Sb2Te5薄膜从非晶态到多晶态的相变是一个两步的结晶过程,即首先从非晶态变

化到亚稳态面心立方结构(fcc),然后从fcc继续变化到六方密堆结构(hex)。而本专利在

Ge2Sb2Te5薄膜中引入稀土Er后,薄膜的析晶温度逐渐增加,随着Er含量从0.4到1.4at%,薄

膜的析晶温度从250℃增加到了300℃。在各个析晶的Erx(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜中,仅亚稳态

面心立方结构(fcc)相析出,六方密堆结构(hex)相被抑制。并且随着Er含量的增加,fcc析

晶峰的强度有明显的减弱,这说明Er的掺杂抑制了GST的fcc到hex相转变,且提高了Erx

(Ge2Sb2Te5)100-x薄膜的析晶温度,使得材料的热稳定性大大改善,这与图1的结果相符。但是

如果Er 含量(原子比)高于1.4at%,,会导致薄膜熔化而失去非晶到晶态快速相变能力,如

图6所示。由于薄膜受热熔化,电阻探针接触到了Si衬底,因而电阻又随温度增加而逐渐增

加。

综上所述,本发明所述的一种稀土Er掺杂相变存储薄膜材料具有单一的均相,较

高的结晶温度,较高的晶态电阻,较大的电阻比,有望增加器件热稳定性,降低器件的功耗,

且提...

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图1
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