一种SiO2 掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途技术

本发明专利技术公开了一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途，所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的化学组成为(SiO2)xSb1‑x，其中0.22≤x≤0.40；采取磁控溅射的方法沉积而成，制备出的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度，能够有效改善PCRAM的热稳定性；具有较快的晶化速度，能够大大提高PCRAM的存储速度。

【技术实现步骤摘要】
一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途
本专利技术涉及微电子
的材料，具体涉及一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途。
技术介绍
相变存储器(PCRAM)具有功耗低、稳定性强、读取速度快、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容等优点，因而受到越来越多的研究者的关注，成为最有潜力的下一代非易失性数据存储器之一。作为相变存储器的重要组成部分，相变材料的性能对于相变存储器起着至关重要的作用。利用电脉冲产生的焦耳热可以实现相变材料在晶态-非晶态之间的可逆转换，当相变材料处于非晶态时具有高电阻，晶态时具有低电阻，利用不同的电阻值可以实现数据存储。Ge2Sb2Te5是当前研究最多、应用最广的相变存储材料。但是，Ge2Sb2Te5也存在一些弱点，比如Ge2Sb2Te5的晶态转变温度只有165℃左右，基于Ge2Sb2Te5的PCRAM器件将数据保持10年的温度只有85℃，无法满足未来高密度存储的需要。此外，Ge2Sb2Te5材料的最快晶化转变时间需要100ns左右，因而也无法应用于高速存储器，这些弱点都制约了PCRAM的工程化进程。近年来，为了进一步提高相变存储器的速度和热稳定性等性能，越来越多的新型相变存储材料被不断开发出来。吕业钢等开发出了GaxSb1001-x相变材料，相较于现有技术，所述相变存储材料结构简单、可加工性强，更不含有易污染元素，相变存储器具有相变速度快，功耗低，数据保持力强，电学性能稳定等优点(ZL201010581188.5，吕业刚，宋三年，宋志棠，相变存储材料及其制备方法、具有相变存储材料的存储器及其制备方法)。吴良材等开发出了Sb-Te-Ti相变薄膜材料，相较于Sb-Te材料，结晶温度得到大幅度地升高，保持力提升，热稳定性增强；同时，非晶态电阻降低，晶态电阻升高；可广泛应用于相变存储器(ZL201210076528.8，吴良才，朱敏，宋志棠，饶峰，宋三年，刘波，封松林，一种Sb-Te-Ti相变存储材料及Ti-Sb2Te相变存储材料)。纯Sb材料具有生长为主的晶化机制，因此其相变速度较快，是一种快速相变材料，但是其非晶态的热稳定性较差，室温溅射形成的Sb薄膜即发生了明显的晶化现象，因此其无法应用于实际相变存储器。Te材料易挥发、熔点低，而且具有毒性，容易污染半导体行业的生产线，对人体和环境也存在不良影响。所以开发一种热稳定性好、相变速度快、低污染的相变存储器用的相变材料具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中相变存储材料热稳定性差、相变速度慢、容易污染等技术问题，提供一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途。本专利技术设计思路如下：纯Sb材料具有生长为主的晶化机制，因此其相变速度较快，是一种快速相变材料，但是其非晶态的热稳定性较差，室温溅射形成的Sb薄膜即发生了明显的晶化现象，因此其无法应用于实际相变存储器。本专利技术中，通过在Sb材料中掺入一定的SiO2材料，可以有效提高Sb的非晶态热稳定性，满足相变存储器的要求。而且，相较于传统的Ge2Sb2Te5相变材料，本专利技术的相变材料中不含有Te元素，Te材料易挥发、熔点低，而且具有毒性，容易污染半导体行业的生产线，对人体和环境也存在不良影响。为了提高Sb材料的热稳定性，本团队前面通过将Sb与SiO2进行多层复合的方式来改善其性能(申请号：CN201610851659.7，一种SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料及其制备方法和应用)。虽然具有一定的效果，但是多层材料在实际大规模的应用中工艺较为复杂，多层材料的厚度不宜精确控制，且由于相变过程中需要将材料加热至熔融状态，在这种状态下多层结构很难维持，极易遭到破坏，造成材料成分的不均匀，从而失去多层材料的结构意义。本专利技术的SiO2掺杂Sb材料具有较好的均匀性、较高的热稳定性、较低的功耗和较快的相变速度，是理想的相变存储材料，具有较好的市场应用前景。本专利技术提供一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料，所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的化学组成为(SiO2)xSb1-x，其中0.22≤x≤0.40；所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料是由锑、硅、氧三种元素组成；优选的，所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的厚度为50±2nm。优选的，所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的化学组成为(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、或(SiO2)0.40Sb0.60。本专利技术的，所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料采用高真空磁控溅射的方法沉积而成；本专利技术SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料可通过叠放的SiO2靶材片的直径来控制(SiO2)xSb1-x中SiO2的成分比例。本专利技术所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料表现出明显的非晶态-晶态的相变过程，而且其晶化温度和RESET电阻均随SiO2含量的增加呈单调增加趋势。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，采用磁控溅射的方法沉积而成，具体包括以下步骤：1)清洗SiO2/Si(100)基片，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质，清洗表面、背面；2)安装好Sb溅射靶材，将SiO2靶材片叠放在Sb靶材的中心构成复合靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气流量及溅射气压；3)采用磁控溅射方法在室温下制备SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料；4)更换不同直径的SiO2圆形靶材片，重复步骤2)和3)两步制备出不同化学组成的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料。根据本专利技术所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，步骤1)所述清洗SiO2/Si(100)基片，其具体步骤为：a)在乙醇溶液中强超声清洗10-15分钟，去离子水冲洗；b)在丙酮溶液中强超声清洗10-15分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；c)在120℃烘箱内烘干水汽，约30分钟。根据本专利技术所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，步骤2)中安装好Sb溅射靶材，将SiO2靶材片叠放在Sb靶材的中心构成复合靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气流量及溅射气压；具体步骤为：a)装好Sb溅射靶材，将直径为10mm的SiO2靶材片叠放在Sb靶材的中心构成复合靶材，并将本底真空抽至2×10-4Pa；所述Sb溅射靶材和SiO2靶材片的原子百分比纯度均达到99.999％；b)设定溅射功率40W；c)使用高纯Ar气作为溅射气体(体积百分比达到99.999％)，设定Ar气流量为40sccm，并将溅射气压调节至0.4Pa。根据本专利技术所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，步骤3)中采用室温磁控溅射方法制备SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料，具体步骤为：a)将空基托旋转到复合靶材所在的复合靶靶位，打开复合靶靶位上的交流电源，依照设定的溅射时间(如150s)，开始对复合靶材表面进行溅射，通过溅射达到清洁复合靶靶位表面的效果；b)复合靶靶位表面清洁完成后，关闭复合靶靶位上所施加的交流射频电源，将步骤1)中清洗之后的SiO2/Si(100)基片旋转到复合靶靶位，打开复合靶靶位上的交流电源，依照设定的溅射时间，溅射形成SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料；本专利技术中在SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法过程中可更换不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiO

【技术特征摘要】
1.一种SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的化学组成为(SiO2)xSb1-x，其中0.22≤x≤0.40。2.根据权利要求1所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的化学组成为(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、或(SiO2)0.40Sb0.60。3.根据权利要求1或2所述的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的厚度为50±2nm。4.一种权利要求1所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，采用磁控溅射的方法沉积而成，包括以下步骤：1)清洗SiO2/Si(100)基片，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质，清洗表面、背面；2)安装好Sb溅射靶材，将SiO2靶材片叠放在Sb靶材的中心构成复合靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气流量及溅射气压；3)采用磁控溅射方法在室温下制备SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料；4)更换不同直径的SiO2圆形靶材片，重复步骤2)和3)两步制备出不同化学组成的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料。5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤1)所述清洗SiO2/Si(100)基片，其具体步骤为：a)在乙醇溶液中强超声清洗10-15分钟，去离子水冲洗；b)在丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡益丰，朱小芹，尤海鹏，袁丽，邹华，张剑豪，孙月梅，薛建忠，吴世臣，吴卫华，郑龙，翟良君，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32