一种掺氧SbSe纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于纳米材料技术领域，涉及一种掺氧SbSe纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的掺氧SbSe纳米相变薄膜材料的化学通式为Sb70Se30Ox，其中x代表氧气流量值，单位为sccm，并且x＝1、2或3，通过在射频溅射沉积Sb70Se30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。与传统的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料相比，本发明专利技术的掺氧SbSe纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度、较高的晶化温度和激活能、更高的非晶态和晶态电阻，并且不含碲元素，对人体和环境不会产生负面影响，适合于制备高速、高稳定性、低功耗的相变存储器，极具工业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种掺氧SbSe纳米相变薄膜材料，其制备方法，及其在制备相变存储器中的应用。
技术介绍
相变存储器(Phase-ChangeRandomAccessMemory，简称PCRAM)是一种以硫系化合物为存储介质的新型非易失性存储器。存储介质材料处于非晶态时具有高电阻，而处于晶态时具有低电阻，其原理是利用电脉冲热量使存储介质材料在晶态(低电阻)与非晶态(高电阻)之间相互转换，进而实现信息的写入和擦除，信息的读出则依靠测量电阻的变化来实现。由于相变存储器具有循环寿命长(>1013次)、元件尺寸小、存储密度高、读取速度快、稳定性强、抗振动以及与现有集成电路工艺相兼容等优点，因而受到越来越多研究者和企业的关注(参见HuYifeng,etal.,AppliedPhysicsLetter,2016,108(22):223103)。Ge2Sb2Te5是目前广泛采用的相变存储材料，虽然其各方面的性能均衡，没有太大的缺点，但是仍存在很多有待改善和提高的地方(参见ZhouXilin,etal.,ScientificReports,2015,5:11150))。首先，Ge2Sb2Te5薄膜材料的相变速度较慢，无法满足未来高速、大数据时代的信息存储要求；其次，Ge2Sb2Te5薄膜材料的热稳定性较差，晶化温度只有160℃左右，仅能在85℃的环境温度下将数据保持10年，还不能完全满足未来高集成度的半导体芯片的要求；另外，材料中的碲元素具有较低的熔点和较低的蒸汽压，容易在高温制备过程中挥发，对人体和环境产生负面影响。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术的目的在于提供一种相变速度快、稳定性高、操作功耗低、无生态危害性的掺氧SbSe纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用。具体而言，为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料，其化学通式为Sb70Se30Ox(简写为SbSeOx)，其中x代表氧气流量值，单位为sccm，并且x＝1、2或3。在上述Sb70Se30Ox纳米相变薄膜材料中，当x＝1、2或3时，薄膜材料均表现出明显的非晶态-晶态的相变过程，而且其稳定性随着x的增加呈现出单调增加的趋势，但当x＝4时，SbSeO4薄膜材料不再表现出明显的相变过程。需要说明的是，虽然所述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料属于纳米级薄膜材料，但其并不局限于纳米薄膜等最终形态，可以根据具体需要通过调控溅射时间来制成不同的厚度。上述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料的制备方法，其通过磁控溅射法来完成。通过在射频溅射沉积Sb70Se30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。优选的，所述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料的具体制备方法包括以下步骤：1)清洗衬底；2)装好溅射靶材，设定溅射功率、溅射氩气和氧气的气体流量及溅射气压；3)采用射频溅射的方法制备掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料。优选的，所述磁控溅射法采用的衬底为SiO2/Si(100)基片。优选的，所述磁控溅射法采用的溅射靶材为Sb70Se30靶材，原子百分比纯度达到99.999％。优选的，所述磁控溅射法采用的溅射气体为高纯氩气和高纯氧气，体积百分比纯度均达到99.999％；氩气和氧气的气体总流量为30sccm，其中氧气的气体流量为1～3sccm，氩气的气体流量为27～29sccm(当x＝1时，氩气与氧气的气体流量比为29:1；当x＝2时，氩气与氧气的气体流量比为28:2；当x＝3时，氩气与氧气的气体流量比为27:3)。优选的，所述磁控溅射法的本底真空度不大于1×10-4Pa。优选的，所述磁控溅射法的溅射功率为25～35W，优选30W。优选的，所述磁控溅射法的溅射气压为0.15～0.35Pa，优选0.3Pa。上述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料在制备相变存储器，特别是高速、高稳定性、低功耗的相变存储器中的应用。与现有技术相比，采用上述技术方案的本专利技术具有如下优点：(1)与传统的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料相比，本专利技术的掺氧SbSe纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度，大大提高了PCRAM的存储速度；同时，本专利技术的纳米薄膜材料具有较高的晶化温度和激活能，极大改善了PCRAM的稳定性；(2)本专利技术的纳米薄膜材料具有更高的非晶态和晶态电阻，可以有效降低PCRAM操作功耗。(3)本专利技术的纳米薄膜材料中不含碲元素，对人体和环境不会产生负面影响。(4)本专利技术的制备方法通过控制磁控溅射时通入的氧气流量来控制掺氧SbSe纳米相变薄膜材料中氧元素的含量，氧元素的含量能够得到精确的控制。附图说明图1为本专利技术实施例1至3中的SbSeOx(x＝1、2或3)纳米相变薄膜材料及对比例1中的Sb70Se30薄膜相变材料的原位电阻与温度的关系曲线。图2为本专利技术实施例1至3中的SbSeOx(x＝1、2或3)纳米相变薄膜材料及对比例1中的Sb70Se30薄膜相变材料的失效时间与温度倒数的关系曲线。图3为本专利技术实施例1至3中的SbSeOx(x＝1、2或3)纳米相变薄膜材料及对比例1中的Sb70Se30薄膜相变材料的Kunbelka-Munk函数关系曲线。图4为本专利技术实施例2中的SbSeO2纳米相变薄膜材料非晶化过程的光学反射率与时间的关系曲线。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例来进一步阐述本专利技术的技术方案。应当理解的是，这些实施例仅用于说明本专利技术，而并不限制本专利技术的保护范围。另外，除非特殊说明，下列实施例中使用的仪器、试剂、材料等均可通过常规商业手段获得。实施例1：制备掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料SbSeO1。(1)清洗SiO2/Si(100)基片的表面和背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质：选取尺寸为5mm×5mm的SiO2/Si(100)基片，先在超声清洗机中用丙酮(纯度为99％以上)超声清洗3～5分钟，去离子水冲洗；再在超声清洗机中用乙醇(纯度在99％以上)超声清洗3～5分钟，去离子水冲洗；高纯氮气吹干表面和背面；在120℃烘箱中烘干水汽，烘干时间20分钟。(2)磁控溅射前准备：在磁控溅射镀膜系统(JGP-450型)中，将步骤(1)中准备的待溅射的SiO2/Si(100)基片放置在基托上，将Sb70Se30合金(原子百分比纯度达到99.999％)作为靶材安装在磁控射频(RF)溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空，直至腔室内真空度达到1×10-4Pa。(3)制备SbSeO1纳米薄膜材料：向溅射腔室中通入高纯氩气和高纯氧气作为溅射气体，高纯氩气中氩气体积百分比达到99.999％；高纯氧气中氧气体积百分比达到99.999％。设定氩气流量为29sccm，氧气流量为1sccm，并将溅射气压调节至0.3Pa；设定射频电源的溅射功率为30W；将空基托旋转到Sb70Se30靶位，打开Sb70Se30靶上所施加的射频电源，设定溅射时间为123s，开始对Sb70Se30靶材进行溅射，以清洁Sb70Se30靶材表面；待Sb70Se30靶材表面清洁完毕后，关闭Sb70Se30靶上所施加的射频电源，将待溅射的SiO2/Si(100)基片旋转到Sb70Se30靶位，然后开启Sb70Se30靶位上所施加的射频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料的制备方法，所述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料通过磁控溅射法制备，通过在射频溅射沉积Sb70Se30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；所述氩气和所述氧气的气体总流量为30sccm，其中所述氧气的气体流量为1～3sccm，所述氩气的气体流量为27～29sccm。

【技术特征摘要】
1.一种掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料的制备方法，所述掺氧Sb70Se30纳米相变薄膜材料通过磁控溅射法制备，通过在射频溅射沉积Sb70Se30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；所述氩气和所述氧气的气体总流量为30sccm，其中所述氧气的气体流量为1～3sccm，所述氩气的气体流量为27～29sccm。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射法采用的衬底为SiO2/Si(100)基片。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射法采用的溅射靶材为Sb70Se30靶材，其原子百分比纯度达到99.999％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射法采用的溅射气体为高纯氩气和高纯氧气，二者的体积百分比纯度均达到...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙月梅，胡益丰，邹华，朱小芹，眭永兴，袁丽，张建豪，薛建忠，郑龙，吴世臣，张丹，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32