一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，其化学组成通式为Zn10Sb90Ox，其中x代表不同的掺氧量标记，x＝0.5、1、1.2、1.5；还公开了该掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料的制备方法。本发明专利技术的掺氧的Zn10Sb90Ox纳米薄膜材具有较高的晶化温度，能够大大提高PCRAM的热稳定性以及十年数据保持温度；同时具有较高的晶态电阻，从而能够减少PCRAM的功耗。
Oxygen doped Zn10Sb90 nano phase change film material and preparation method thereof
An oxygen doped Zn10Sb90 nano phase change film material has a general chemical composition of Zn10Sb90Ox, in which X represents different oxygen content markers, x = 0.5, 1, 1.2, 1.5, and the preparation method of the oxygen doped Zn10Sb90 nano phase change film material is also disclosed. The oxygen doped Zn10Sb90Ox nanomaterials of the invention have high crystallization temperature, which can greatly improve the thermal stability of PCRAM and the ten year data holding temperature; meanwhile, it has a high crystalline resistance, which can reduce the power consumption of PCRAM.
【技术实现步骤摘要】
一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料及其制备方法
本专利技术属一种微电子
的半导体材料，具体涉及一种用于高稳定性、低功耗的相变存储器的Zn10Sb90相变存储材料。
技术介绍
近年来相变存储器(PCRAM)发展比较迅速，在大容量、高密度、高速、低功耗、低成本等方面显示出明显的优势。PCRAM存储单元在被证实在5nm技术节点之前不存在任何物理限制；海力士给出工程化样片，表明了PCRAM在16nm技术节点及4F2存储密度下，在物理，存储性能与可制造方面都是可行的，更为重要是采用金属栅、高k介质的新型CMOS工艺兼容，可进一步随着CMOS新技术节点发展下去用于相变存储器中的相变材料，必须满足多个条件：(1)晶化时间短；(2)熔点低；(3)SET态和RESET态的电阻率差异大；(4)材料的非晶态在常温下要非常稳定；(5)晶态和非晶态可逆转换操作次数多；(6)相变前后的体积变化小；(7)在纳米尺寸保持良好的性能。很明显，很多材料不能完全满足上面的多项要求，而目前研究最多的相变材料是Ge2Sb2Te5，Ge2Sb2Te5材料虽然具有较好的综合性能，但是其热稳定性不高，晶化温度只有160℃左右，只能在85℃环境下将数据保持10年。此外，由于Ge2Sb2Te5材料的结晶机制是形核为主型，相变速度较慢，无法满足未来高速PCRAM的设计要求。为此，开发具有更高热稳定性、更快转变速度的相变材料成为业内的主要目标。
技术实现思路
为解决现有技术中研究最多的相变材料是Ge2Sb2Te5热稳定性不高，相变速度较慢的缺陷，本专利技术提供一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料及其制备方法。一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，其化学组成通式为Zn10Sb90Ox，其中x代表不同的掺氧量标记，x＝0.5、1、1.2、1.5；优选的所述x为1.2。经EDS测定，x＝0.5、1、1.2、1.5分别对应掺入的氧原子百分比为93.3％，93.9％，94.9％，96.9％。当x＝0.5、1、1.2、1.5时均表现出明显的非晶态-晶态的相变过程，而且其稳定性随x的增加呈单调增加趋势。而当x>1.5时，由于过量的氧掺杂，使得材料失去明显的相变过程，无法应用于相变存储器。材料的厚度为45～65nm，优选为50nm。一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料的制备方法，衬底采用SiO2/Si(100)基片，溅射靶材为Zn10Sb90，通过在射频溅射沉积Zn10Sb90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；其中氩气和氧气的总流量为30sccm，如果氧气流量为asccm，则相应的氩气流量为(30-a)sccm。进一步的，Zn10Sb90靶材的纯度原子百分比在99.999％以上，本底真空度不大于1×10-4Pa。进一步的，Zn10Sb90靶材采用射频电源，溅射功率为25-35W，优选为30W。进一步的，所述Ar气的纯度体积百分比在99.999％以上，溅射气压为0.3～0.5Pa；氧气的溅射气压为0.4Pa。专利技术所述的Zn10Sb90Ox纳米相变薄膜的厚度可以通过溅射时间来调控，具体如下：1)清洗SiO2/Si(100)基片；2)安装好溅射靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气和O2气的气体流量及溅射气压；3)将空基托旋转到Zn10Sb90靶位，打开Zn10Sb90靶上的射频电源，设定的溅射时间150～250s，开始对Zn10Sb90靶材表面进行溅射，清洁Zn10Sb90靶位表面；4)关闭Zn10Sb90靶位上所施加的射频电源，将待溅射的基片旋转到Zn10Sb90靶位，打开Zn10Sb90靶位上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射Zn10Sb90Ox薄膜；溅射完毕后获得所述的掺氧Zn10Sb90纳米相变薄膜材料；5)重复步骤2)-4)，改变Ar气和O2气的流量比例，在SiO2/Si(100)基片上分别制备出Zn10Sb90Ox(x＝0.5、1、1.2、1.5)纳米相变薄膜材料。本专利技术上述的掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，可由制备方法中的Ar气与O2气的气体流量比来控制所获得的掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料中的O原子的含量。在相变材料中掺入适量的O原子，通过形成稳定性较高的氧化物非晶颗粒，分布在相变材料周围，一方面可以阻止相变材料的晶化，提高相变材料整体的热稳定性；另一方面，通过减小晶粒尺寸，增加晶界数量，从而提高晶态电阻，可以降低器件在RESET过程中的功率消耗。Zn10Sb90材料由于其热稳定性较差，通过磁控溅射方法沉积的Zn10Sb90材料即为晶态，因此无法满足相变存储器的技术要求。但是，Zn10Sb90材料晶化速度较快，这受益于富Sb其生长为主的晶化机制，这使得其对于加快PCRAM的信息存取速度是非常有利的。本专利技术的掺氧的Zn10Sb90Ox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：首先，Zn10Sb90Ox纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度，能够大大提高PCRAM的热稳定性以及十年数据保持温度；其次，Zn10Sb90Ox纳米相变薄膜材料具有较高的晶态电阻，从而能够减少PCRAM的功耗。附图说明图1为本专利技术的Zn10Sb90Ox(x＝0.5、1、1.2、1.5)纳米相变薄膜材料及用于对比例1的Zn10Sb90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Zn10Sb90Ox(x＝1.2、1.5)纳米相变薄膜材料及用于比较的GST相变薄膜材料的十年数据保持力图线；图3a用于比较的GST相变薄膜材料的激光皮秒测试反射率图像；图3b为本专利技术的Zn10Sb90O1.2纳米相变薄膜材料的激光皮秒测试反射率图像。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。实施例首先制备Zn10Sb90O2纳米薄膜，制备包括如下步骤：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；a)在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；b)在乙醇溶液中强超声清洗3-5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20分钟。2.采用射频溅射方法制备Zn10Sb90O2薄膜前准备：a)装好Zn10Sb90溅射靶材，靶材的纯度均达到99.999％(原子百分比)，并将本底真空抽至1×10-4Pa；b)设定溅射功率30W；c)使用高纯Ar和高纯O2作为溅射气体(体积百分比均达到99.999％)，设定Ar气流量为28sccm，O2流量为2sccm，并将溅射气压调节至0.4Pa。3.采用磁控溅射方法制备Zn10Sb90O2纳米相变薄膜材料：a)将空基托旋转到Zn10Sb90靶位，打开Zn10Sb90靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(100s)，开始对Zn10Sb90靶材进行溅射，清洁Zn10Sb90靶材表面；b)Zn10Sb90靶材表面清洁完成后，关闭Zn10Sb90靶上所施加的射频电源，将待溅射基片本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，其特征在于，其化学组成通式为Zn10Sb90Ox，其中x代表不同的掺氧量标记，x＝0.5、1、1.2、1.5。
【技术特征摘要】
1.一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，其特征在于，其化学组成通式为Zn10Sb90Ox，其中x代表不同的掺氧量标记，x＝0.5、1、1.2、1.5。2.如权利要求1所述的掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料，其特征在于，材料的厚度为45-65nm。3.一种掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，衬底采用SiO2/Si(100)基片，溅射靶材为Zn10Sb90，通过在射频溅射沉积Zn10Sb90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；其中氩气和氧气的总流量为30sccm。4.如权利要求3所述的掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，Zn10Sb90靶材的纯度原子百分比在99.999％以上，本底真空度不大于1×10-4Pa。5.如权利要求3所述的掺氧的Zn10Sb90纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于，Zn10Sb90靶材采用射频电源，溅射功...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡益丰，张锐，郭璇，尤海鹏，朱小芹，邹华，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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