本发明专利技术涉及一种掺氧GeSb纳米相变薄膜及其制备方法和应用，该相变薄膜的化学组成符合化学通式GSOx，其中GS为Ge8Sb92，x代表氧气流量值，其单位为sccm，其中x＝1、2或3，通过清洗SiO2/Si(100)基片、射频溅射前准备、采用磁控溅射方法制备纳米相变薄膜材料三个步骤制备得到掺氧GeSb纳米相变薄膜，可以在相变存储器中的应用。与现有技术相比，本发明专利技术具有等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微电子
的相变存储材料及其制备和应用，尤其是涉及一种掺氧GeSb纳米相变薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
相变存储器(Phase Change Random Access Memory，简称PCRAM，)的工作原理是利用硫系化合物在晶态(低电阻、高反射率)和非晶态(高电阻、低反射率)之间的可逆转换作为相变层来实现信息“0”和“1”存储的一种非易失性半导体存储器。相变存储器的记录是利用电脉冲产生的热量使存储介质材料在晶态和非晶态之间相互转换实现信息的写入和擦除，信息的读出靠测量电阻的差异来实现。PCRAM从高阻到低阻的过程定义为SET过程，而将其从低阻变到高阻的过程称为RESET过程。PCRAM具有读写速度快、功耗较低、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容、制造工艺简单等优点，被业界公认为有可能在未来取代DRAM和Flash存储器。GeSb相变存储材料，尤其是富Sb的相变材料具有高速的相变优点，其结晶机制属于晶粒生长占优型，晶化速率可达5ns。GeSb薄膜厚度即使减小到3nm时，仍保持着优异的存储性能，具有良好的器件尺寸缩小和高密度存储的应用潜力。尽管如此，GeSb薄膜也存在着一些缺点：热稳定性不够高，在更高的温度下数据保持能力急剧下降；较低的晶态电阻使得RESET电流过大，高的电流密度是当前大规模集成电路(LSI)所不能承受的(<8MA/cm2)，因此单纯的GeSb相变薄膜无法直接应用于民用和工业领域。中国专利CN 102800807A公开了一种用于低功耗高可靠性的掺氧Sb4Te的纳米相变薄膜材料，其化学成分采用STOx表示，ST代表Sb4Te，x＝1、2或3；通过在射频溅射沉积Sb4Te薄膜的过程中同时通入氩气和氧气，并在纳米量级制备而成。该专利相变薄膜制备选用Sb4Te二元母体相变材料，该材料中含Te元素。一方面Te在高温下容易挥发导致相变薄膜成分非化学计量比，化学组分不够稳定，用于相变存储器时容易导致器件失效。另一方面，Te元素具有毒性，容易污染半导体工艺且对环境和人体有害。通过磁控溅射法制备的掺氧纳米相变薄膜STO3的结晶温度为202℃，结晶激活能为2.99eV，十年数据保持温度为119℃，非晶态热稳定性尚不够高，不能直接应用于高温场合，如汽车电子领域十年数据保持温度要达到120℃。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高相变材料热稳定性，同时降低其RESET功耗的掺氧GeSb纳米相变薄膜及其制备方法和应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种掺氧GeSb纳米相变薄膜，其化学组成符合化学通式GSOx，其中GS为Ge8Sb92，x代表氧气流量值，其单位为sccm，其中x＝1、2或3。掺氧GeSb纳米相变薄膜采用磁控溅射方法生长于SiO2/Si(100)基片上，其厚度为30-100nm。掺氧GeSb纳米相变薄膜的制备方法，采用以下步骤：(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；(2)射频溅射前准备：装好Ge8Sb92溅射靶材，利用高纯Ar和高纯O2作为溅射气体；(3)采用磁控溅射方法制备纳米相变薄膜材料：清洁Ge8Sb92靶材表面，然后将待溅射基片旋转到Ge8Sb92靶位，开启Ge8Sb92靶位射频电源溅射掺氧Ge8Sb92薄膜。步骤(1)具体采用以下步骤：(1-a)将SiO2/Si(100)基片在丙酮溶液中强超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗；(1-b)将处理后的基片在乙醇溶液中强超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；(1-c)将处理好的基片在100-150℃的烘箱内烘干水汽，得到待溅射基片。步骤(2)具体采用以下步骤：(2-a)装好Ge8Sb92溅射靶材，靶材的纯度均达到原子百分比99.999％，并将本底真空抽至2×10-4Pa；(2-b)设定交流射频溅射电源功率为15-30W；(2-c)使用体积百分比均达到99.999％的高纯Ar和高纯O2，控制Ar气流量与O2流量比为49-47：1-3，溅射气压调节至2×10-1Pa。作为优选的技术方案，控制Ar气流量与O2流量比为49：1、48：2或47：3。步骤(3)具体采用以下步骤：(3-a)将空基托旋转到Ge8Sb92靶位，打开Ge8Sb92靶上所施加的射频电源，对Ge8Sb92靶材溅射120-300s，清洁Ge8Sb92靶材表面；(3-b)Ge8Sb92靶材表面清洁完成后，关闭Ge8Sb92靶上所施加的射频电源，将待溅射基片旋转到Ge8Sb92靶位，开启Ge8Sb92靶位射频电源，开始溅射掺氧Ge8Sb92薄膜150-300s，即得到掺氧GeSb纳米相变薄膜。制备得到的掺氧GeSb纳米相变薄膜可以在相变存储器中的应用。掺杂是一种改善和优化材料性能的有效手段，通过在相变材料中掺入少量的O原子可以减小晶粒平均尺寸，使薄膜的晶粒细化，小的晶粒尺寸会产生更多的晶界和载流子散射，从而抑制晶相的转变，提高晶态电阻率。高的晶化温度有利于提高PCRAM器件的数据保持能力，高的SET态电阻有利于降低PCRAM器件RESET功耗。与纯的Ge8Sb92合金相比，本专利技术的掺氧的Ge8Sb92合金较好的解决了Ge8Sb92材料的缺点和不足。通过掺入不同的氧原子，使Ge8Sb92相变材料的晶化温度明显的提高，结晶激活能显著增强，数据保持能力大幅度提升，从而提高了其热稳定性，使其应用于PCRAM时数据保持更长久，信息存储更可靠。同时，掺入不同的氧原子使得晶态电阻的提高，从而降低RESET功耗。因此，通过掺杂氧元素，使Ge8Sb92合金成为一种高速、高稳定性和低功耗的相变材料，从而具有较好的市场应用前景。本专利技术的掺氧GSOx纳米薄膜材料能够应用于相变存储器，与传统的相变薄膜材料相比具有如下优点：(1)GSOx纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度，能够大大提高PCRAM的存储速度；(2)GSOx纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度、结晶激活能和十年数据保持力，从而能够极大的改善PCRAM的稳定性；(3)相比未掺氧的Ge8Sb92薄膜材料，GSOx纳米相变薄膜材料具有更高的非晶态和晶态电阻，从而可以有效降低PCRAM操作功耗。。附图说明图1为本专利技术的GSOx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料及用于对比例1的Ge8Sb92薄膜相变材料的原位电阻与温度的关系曲线。图2为本专利技术的GSOx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料及用于对比例1的Ge8Sb92薄膜相变材料的Kissinger拟合曲线。图3为本专利技术的GSOx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料及用于对比例1的Ge8Sb92薄膜相变材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。图4为本专利技术的GSO2纳米相变薄膜材料X射线反射率随入射角的衍射图样。图5为基于本专利技术的GSO2纳米相变薄膜材料PCRAM的SET和RESET操作特性曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1本实施例中制备的掺氧Ge8Sb92纳米相变薄膜材料结构具体为GSO1。制备步骤为：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；a)在丙酮溶液中强超声清洗5-1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种掺氧GeSb纳米相变薄膜，其特征在于，该相变薄膜的化学组成符合化学通式GSOx，其中GS为Ge8Sb92，x代表氧气流量值，其单位为sccm，其中x＝1、2或3。
【技术特征摘要】
1.一种掺氧GeSb纳米相变薄膜，其特征在于，该相变薄膜的化学组成符合化学通式GSOx，其中GS为Ge8Sb92，x代表氧气流量值，其单位为sccm，其中x＝1、2或3。2.根据权利要求1所述的一种掺氧GeSb纳米相变薄膜，其特征在于，所述的掺氧GeSb纳米相变薄膜采用磁控溅射方法生长于SiO2/Si(100)基片上。3.根据权利要求1所述的一种掺氧GeSb纳米相变薄膜，其特征在于，所述的掺氧GeSb纳米相变薄膜的厚度为30-100nm。4.如权利要求1所述的掺氧GeSb纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(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；(2)射频溅射前准备：装好Ge8Sb92溅射靶材，利用高纯Ar和高纯O2作为溅射气体；(3)采用磁控溅射方法制备纳米相变薄膜材料：清洁Ge8Sb92靶材表面，然后将待溅射基片旋转到Ge8Sb92靶位，开启Ge8Sb92靶位射频电源溅射掺氧Ge8Sb92薄膜。5.根据权利要求4所述的掺氧GeSb纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体采用以下步骤：(1-a)将SiO2/Si(100)基片在丙酮溶液中强超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗；(1-b)将处理后的基片在乙醇溶液中强超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，吴卫华，何子芳，陈施谕，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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