一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒‑富Sb相变薄膜材料及其制备方法，特点是其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100‑x，其中0

A Vanadium Dioxide-Sb-Rich Phase Change Film Material and Its Preparation Method Controlled by Volatile to Nonvolatile Storage

【技术实现步骤摘要】
一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料及其制备方法
本专利技术涉及相变存储器材料领域，尤其涉及一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
相变存储器（PCM）是近年来新兴的一代具有非常大发展潜力的存储器，是目前存储器研究发展的热点。相对于目前主流的闪存存储器，相变存储器不仅克服了写入时间较长（>10us）和循环次数较低（~106）的缺点，另外其造价低，制作工艺简单，存储密度高（5-8F2），功耗低，数据保存能力强等诸多优点使相变存储器被认为是最具有前景的非易失性存储器之一。由于相变存储器的存储技术还具有抗辐射和不怕强烈震动的优点，使它不仅可以在民事和军用方面广发使用，在航空航天等领域依然具有较大的竞争力。相变存储器的原理是利用相变材料在其两态（晶态和非晶态）之间的电阻率不同来实现数据“0”和“1”的存储的。相变存储器本身具有能够在晶态与非晶态之间相互转化的特性。由于写入、擦除和读取需要施加电脉冲进行，会不可避免的产生焦耳热，因此，相变材料的热稳定性对于相变存储器的研究与发展非常重要。单晶二氧化钒（VO2）在加热过程中会表现出著名的从68℃的半导体相到金属相（SMT）的超快速（在0.1℃内）可逆相变。通过这种一级相变，VO2从非晶态转变为单斜晶相（P21/c）为四方金红石相（P42/mnm），伴随着电学和光学性质的显着变化。由于这些引人注目的特性，VO2在各种设备中具有巨大的潜力，包括气体传感器，电气开关，热致变色器，热致动器和存储器件，因此引起了广泛的研究兴趣。然而，VO2在应用于相变存储器上仍有一些问题，主要变现在：1.热稳定性差，结晶温度较低，仅不到70℃，而研究最广泛的GST（Ge2Sb2Te5）相变温度在160摄氏度。2.VO2的相变特性为易失性相变，必须要在持续通电的情况下保持存储数据，这间接增加了器件的功耗。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有较高结晶稳定性和数据保持能力，较快结晶速度，以及结晶温度和电阻可通过掺杂组分的配比不同调整的易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb薄膜材料及其制备方法，该方法成本低，工艺可控性强，易于大规模生产。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料，其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中VO2的原子数百分含量为0<x<33。优选的，所述的薄膜材料的化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中VO2的原子数百分含量为7≤x≤33。优选的，所述的薄膜材料的化学结构式为(VO2)33(Sb4Te)67。该相变薄膜材料的数据保持力能够在132.6℃下保存十年。上述易失性至非易失性存储调控的VO2-Sb4Te薄膜材料的制备方法，采用高纯度圆块状VO2和Sb4Te作为靶材，使用磁控溅射仪器，通过双靶共同溅射，以高纯度氩气作为工作气体，硅片或石英片作为衬底材料进行表面沉积，具体步骤如下：（1）分别将Sb4Te圆块金属靶材和VO2圆块金属氧化物靶材背面与一块直径相同、厚度为1mm的铜片完全贴合，制作为磁控溅射镀膜靶材，将VO2靶材安装在磁控直流溅射靶中，将Sb4Te安装在磁控射频溅射靶中；（2）将石英片或者硅片衬底材料依次放入去离子水中和无水乙醇中超声清洗后取出，用高纯度氮气吹干，放入溅射腔室；（3）将溅射室封闭，进行抽真空，当溅射室真空度达到2×10-4Pa时，通入高纯度氩气，进气速率为50ml/min，使溅射室内的气压达到溅射所需的起辉气压2.3Pa；（4）开启直流电源，调整VO2直流溅射功率为20W，打开射频电源，调整Sb4Te靶的射频功率为15~50W，待光辉稳定后开始在室温下镀膜，共溅射时间25-35min，得到厚度为120-140nm的用于相变存储器的VO2-Sb4Te薄膜材料。优选的，所述的VO2靶材和所述的Sb4Te靶材的纯度均为99.99%。优选的，将步骤（4）得到的沉积态VO2-Sb4Te薄膜材料放入快速退火炉中，在通入高纯度氮气的氛围下，迅速升温至180~300℃下退火，即可得到热处理后的用于相变存储器的VO2-Sb4Te薄膜材料。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料的化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中0<x<33。该薄膜的结晶温度为180~220℃，且结晶温度、晶态与非晶态电阻随着VO2含量的增加线性增加，非晶电阻在105~107Ω，晶态电阻103~104Ω；10年数据保存力的温度经测试为100.1-132.6℃。薄膜晶态电阻的增加会有利于PCM的功耗的降低。本专利技术生产成本低，重复性好，工艺可控性强，制备得到的VO2-Sb4Te薄膜材料不仅具有组分误差小、附着强度高、膜质均匀致密的优点，而且可以根据调控组分调节结晶温度，热稳定性较好，结晶温度快，较大的晶态/非晶态电阻率。综上所述，本专利技术引入富Sb相变材料Sb4Te进行掺杂，通过改变参与相变的晶体（由VO2单晶变成Sb/Sb2O3晶体）不仅保持了较快的结晶速度，而且解决了以上结晶温度低和易失性的问题，可以用于工业化大规模制备大面积相变薄膜从而可以满足未来相变存储器存储材料的应用需求。附图说明图1为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜方块电阻随温度变化关系曲线；图2为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜的数据保持力计算结果图；图3为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在180℃下退火后的X射线衍射图谱；图4为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在250℃下退火后的X射线衍射图谱；图5为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在300℃下退火后的X射线衍射图谱；图6为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在沉积态下的拉曼衍射图谱；图7为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在180℃下退火后的拉曼衍射图谱；图8为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在250℃下退火后的拉曼衍射图谱；图9为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在300℃下退火后的拉曼衍射图谱；图10为组分为(VO2)33(Sb4Te)67薄膜在300℃退火后的XPS结果图谱；图11为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在沉积态下的透过图谱；图12为不同组分的(VO2)x(Sb4Te)100-x薄膜在300℃下退火后的透过图谱。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。一、具体实施例一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb相变薄膜材料，其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中VO2的原子数百分含量为0<x<33，该材料结晶温度在180~220℃之间，非晶态电阻在105~107Ω，晶态电阻103~104Ω。制备方法为：使用高纯度圆块VO2和Sb4Te材料作为靶材。采用磁控溅射装置，双靶同时溅射，以高纯度氩气作为工作气体，采用石英片或硅片为衬底材料进行表面积沉积，具体步骤如下：（1）分别将Sb本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒‑富Sb薄膜材料，其特征在于其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100‑x，其中VO2的原子数百分含量为0<x<33。

【技术特征摘要】
1.一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb薄膜材料，其特征在于其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中VO2的原子数百分含量为0<x<33。2.根据权利要求1所述的一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb薄膜材料，其特征在于其化学结构式为(VO2)x(Sb4Te)100-x，其中VO2的原子数百分含量为7≤x≤33。3.根据权利要求1所述的一种易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb薄膜材料，其特征在于其化学结构式为(VO2)33(Sb4Te)67。4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的易失性至非易失性存储调控的二氧化钒-富Sb薄膜材料的制备方法，其特征在于：采用高纯度圆块状VO2和Sb4Te作为靶材，使用磁控溅射仪器，通过双靶共同溅射，以高纯度氩气作为工作气体，硅片或石英片作为衬底材料进行表面沉积，具体步骤如下：（1）分别将Sb4Te圆块金属靶材和VO2圆块金属氧化物靶材背面与一块直径相同、厚度为1mm的铜片完全贴合，制作为磁控溅射镀膜靶材，将VO2靶材安装在磁控直流溅射靶中，将Sb4Te安装在磁控射频溅射靶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕业刚，李洋，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33