CN105762277B - 一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种材料通过交替叠加形成类超晶格结构，所述相变薄膜的结构通式为[SnSe2(a)/Sb(b)]x，类超晶格相变薄膜的总厚度为40～60nm，其中，a为每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度，a为8～12nm，b为每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度，b为1.5～3nm，x为类超晶格相变薄膜结构的周期数，x为4或5；该相变薄膜通过磁控溅射的方法制得，应用于PCRAM器件。与现有技术相比，本发明相变薄膜具有热稳定性好、相变速度快、体积变化小，功耗较低等优点，具备优良的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子材料技术领域，具体涉及一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜及其制备与应用。
背景技术
20世纪60年代，美国科学家Stanford Ovshinsky发现硫系化合物(Chalcogenides)材料在电场激发下可实现高低阻值的可逆转变，在激光诱导下呈现出反射率的可逆变化(Ovshinsky,Stanford：Physical Review Letters，1968，21(20)，p.1450)。基于相变材料反射率的可逆转变已经广泛应用于光学存储领域，如擦写光盘(CD-ROM)、可擦写数字多功能光盘(DVD-ROM)及蓝光光盘(Blue-ray Disc)。然而基于相变材料电阻率的可逆转变在电学存储领域的应用进展缓慢，主要受制于研究人员对相变材料相变机理的认识、半导体工艺和薄膜制备技术的落后。进入21世纪以来，随着研究人员对相变机理的深刻认识和半导体工艺及集成技术的飞速发展，使得相变存储器PCRAM(Phase ChangeRandom Access Memory)在高速、高密度、低功耗、尺寸微缩等方面彰显出突出的优越性，被认为是最有可能取代目前SRAM、DRAM和FLASH等主流产品的下一代非易失性存储器(Raoux,Simone：MRS Bulletin，2014，39(08)，p.703)。
相变材料作为PCRAM的核心部分，其性能直接决定着PCRAM器件的特性。Ge2Sb2Te5是当前研究和应用较广泛的是相变材料，该材料具有可靠性高、循环寿命长、抗辐照等优点，同时也存在诸多缺点，如Ge2Sb2Te5相变材料的非晶态热稳定性较差，结晶温度约160℃，结晶激活能约为2.37eV，数据保持10年的温度约为75℃，无法满足未来高可靠性和高稳定性数据存储器的要求；Ge2Sb2Te5相变材料为成核占优型的晶化机制，使得PCRAM器件的SET速度较慢，无法满足未来高速存储器的要求；Ge2Sb2Te5相变材料在晶态时电阻较高，使得PCRAM器件的SET电阻较高，无法满足未来低功耗存储器的要求。
类超晶格多层纳米复合材料是将不同相变材料在纳米层次通过交替叠加的方式进行层层堆叠，制成类超晶格结构。新加坡数据存储研究所T.C.Chong等人于2006年首次提出将GeTe/Sb2Te3多层材料应用于PCRAM的制备，获得当时世界上最快的相变存储单元(Chong,T.C：Applied Physics Letters，2006，88(12)，p.122114)。SnSe2相变材料富含Se元素，研究发现富Se相变材料在热稳定性、数据保持力和功耗等方面具有突出的优势。富Se相变材料非晶态电阻较高(约1013Ω)，制备成PCRAM器件后，在电压脉冲作用下，较高的RESET态电阻使得SET操作难以实现；非晶态和晶态电阻之比较大(约107)，较大的电阻差异缘于原子结构较大的变化，较大的结构变化会引起较大密度和体积变化，从而使得相变层与器件上下电极之间接触不良，大大影响PCRAM器件的可靠性和循环寿命。正是由于上述诸多缺点决定了单纯SnSe2相变材料不适合应用于PCRAM器件。单质Sb在常温下已结晶，有着较低的电阻(约102Ω)，另富Sb的相变材料具有较快相变速度。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种热稳定性好、相变速度更快、可靠性更高、编程功耗更低的类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜及其制备与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种材料通过交替叠加形成类超晶格结构，所述相变薄膜的结构通式为[SnSe2(a)/Sb(b)]x，类超晶格相变薄膜的总厚度为40～60nm，其中，a为每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度，a为8～12nm，b为每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度，b为1.5～3nm，x为类超晶格相变薄膜结构的周期数，x为4或5，即保证40≤(a+b)*x≤60。
PCRAM(相变存储器)在设计时，一般要求相变层的厚度在50～100nm左右，这是行业和研究界公认选择的，在不降低性能的前提小，希望厚度越小越好，这样PCRAM可以实现高密度存储，器件的尺寸可以做得更小，这也体现了PCRAM的可微缩性能好。
本发明的出发点为：SnSe2相变材料由于非晶态电阻较高，Sb材料在室温下已晶化，但这两种材料均是不能单独应用于PCRAM器件的，通过磁控溅射的方法将两种材料进行纳米多层复合构成类超晶格结构，在界面处利用部分结晶的Sb诱导SnSe2结晶，降低相变材料非晶态电阻，有助于在电压脉冲作用下实现SET操作；提高相变材料的相变速度；减小相变材料结晶前后阻值之比和体积变化，提高PCRAM器件的可靠性和循环寿命。
同时，通过调节SnSe2和Sb的厚度比来调节类超晶格相变材料的性能，如结晶温度、结晶激活能、十年数据保持力、非晶态电阻、晶态电阻、非晶态和晶态电阻之比、相变速度等，优化出合适组分制备成PCRAM器件，可以应用于消费类电子产品中。
该制备方法通过磁控溅射的方法将两种薄膜进行纳米多层复合构成类超晶格结构，该制备方法具体包括以下几个步骤：
(1)将SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去离子水中，超声清洗15～30min，然后用N2吹干，待用；
(2)将溅射靶材安装于溅射仪上，先后开启机械泵和分子泵抽真空至2x10-4Pa以下，设定溅射气体的流量、腔内溅射气压、靶材的溅射功率；
(3)用镀膜监控程序进行镀膜，依次将单质Sb材料和SnSe2材料溅射至基片上，制得类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜。
步骤(2)所述将溅射靶材安装于溅射仪上包括将单质Sb材料安装在1号靶位、将SnSe2材料安装在2号靶位及将SiO2/Si(100)基片安装在样品托盘上，然后密闭溅射仪。
所述溅射气体为Ar气，溅射气体的流量为30～50SCCM，溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射功率为20～30W。在上述设定参数范围内，磁控溅射可以制备出优质的相变薄膜，薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好。
所述用镀膜监控程序进行镀膜包括以下步骤：
(a)将基片旋转到1号靶位，设定单质Sb材料溅射速度，开启直流溅射电源，溅射Sb薄膜，溅射完毕后，关闭1号靶位的直流溅射电源；
(b)将基片旋转到2号靶位，设定SnSe2材料溅射速度，开启直流溅射电源，溅射SnSe2薄膜，溅射完毕后，关闭2号靶位的直流溅射电源，得到一层相变薄膜；
(c)重复步骤(a)和步骤(b)，直到达到相变薄膜设定的周期数。
所述的单质Sb材料溅射速度为0.9～2.5s/nm，SnSe2材料溅射速度为0.8～2.5s/nm采用磁控溅射法制备相变薄膜时，靶材所用电源有直流和射频交流，溅射的速度受电源功率、溅射气压、溅射气体流量、溅射温度等因素的影响。
该相变薄膜应用于PCRAM器件，利用相变材料非晶态时的高阻和晶态时的低阻进行存储逻辑数据“1”和“0”，实现信息储存。
与现有技术相比，本发明与传统的Ge2Sb2Te5相变材料相比较，类超晶格SnSe2/Sb纳米复合相变薄膜材料具有热稳定性好、相变速度更快、可靠性更高、编程功耗更低等优点，其有益效果具体体现在以下几方面：
(1)本发明制备的类超晶格纳米相变薄膜与传统相变材料Ge2Sb2Te5相比较，相变温度由160℃提高到185℃，结晶活化能有2.37eV提高到3.03eV，十年数据保持力由75℃提高到116℃，表明类超晶格纳米相变薄膜具有更高的非晶态热稳定性；
(2)类超晶格纳米相变薄膜结晶前后体积变化为3.1％，而Ge2Sb2Te5相变材料为6.8％，SnSe2相变材料为9.1％，表明基于类超晶格纳米相变薄膜的PCRAM器件具有更高的可靠性；
(3)类超晶格纳米相变薄膜在皮秒激光作用下的晶化速度为11.9ns，而Ge2Sb2Te5相变材料为50ns，表明类超晶格纳米相变薄膜具有更快的相变速度；
(4)基于类超晶格纳米相变薄膜的PCRAM器件在20ns脉冲作用下能实现可逆的SET和RESET过程，表明基于类超晶格纳米相变薄膜的PCRAM器件可以实现高速操作；
(5)基于类超晶格相变薄膜的PCRAM器件具有较高的SET态电阻，表明基于类超晶格纳米相变薄膜的PCRAM器件具有更低的功耗。
附图说明
图1为实施例1～2所得纳米相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5、SnSe2、Sb相变材料的原位电阻与温度的关系曲线；
图2为实施例1～2所得纳米相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5相变材料Kissinger拟合所得的结晶激活能；
图3为实施例1～2所得纳米相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5相变材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。
图4为实施例1所得纳米相变薄膜及用于对比的SnSe2相变材料的X射线反射率随入射角的变化关系曲线。
图5为实施例1所得纳米相变薄膜在皮秒激光脉冲照射下反射率随时间的变化曲线。
图6为实施例1所得纳米相变薄膜应用于PCRAM器件单元时PCRAM器件的I-V和R-V特性曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种薄膜通过多层纳米复合形成类超晶格结构，所述相变薄膜的结构通式为[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4，其中，每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度为10nm，每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度为2nm，相变薄膜的周期数为4层。
该相变薄膜的制备方法，主要包括以下几个步骤：
1.清洗SiO2/Si(100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质：
(a)将基片置于乙醇溶液中，用超声清洗20分钟，去基片表面灰尘颗粒以及无机杂质；
(b)将基片置于丙酮溶液中，用超声清洗20分钟，去基片表面有机杂质；
(c)将基片置于去离子水中，用超声清洗20分钟，再次清洗表面；
(e)取出基片，用高纯N2吹干表面和背面，放置在干燥箱内待用。
2.采用磁控溅射方法制备纳米复合多层薄膜的前期准备：
(a)将Sb单质靶材和合金靶材SnSe2分别放在溅射仪的1号和2号靶位上，将SiO2/Si(100)基片固定在样品托盘上，关闭对外通气阀，密封腔体；
(b)开启真空计和机械泵抽真空，待腔体内真空达到5Pa或以下时，启动分子泵，抽真空至2*10-4Pa以下；
(c)设置Sb和SnSe2靶材的直流溅射功率均为20W；
(d)使用高纯Ar气作为溅射气体，Ar气流量设为30SCCM，溅射气压为0.2Pa。
3.用镀膜监控程序进行镀膜，所需要的溅射厚度，可以通过溅射时间来实现，其中Sb靶材的溅射速度为1.4s/nm，SnSe2靶材的溅射速度为0.9s/nm：
(a)将基片旋转到Sb靶位(1号靶位)，开启直流溅射电源，溅射1.429s形成2nm的Sb薄膜，溅射完毕后，关闭Sb靶位的直流溅射电源。
(b)将基片旋转到SnSe2靶位(2号靶位)，开启直流溅射电源，溅射11.1s形成10nm的SnSe2薄膜，溅射完毕后，关闭SnSe2靶位的直流溅射电源，这样就形成了1层相变薄膜。
(c)重复上述(a)、(b)两步，直到形成4层纳米复合相变薄膜。
将制得的相变薄膜应用于PCRAM器件利用相变材料非晶态时的高阻和晶态时的低阻进行存储逻辑数据“1”和“0”，实现信息储存。
实施例2
采用与实施例1相同的制备方法，不同之处在于：
将基片旋转到Sb靶位(1号靶位)，开启直流溅射电源，溅射2.143s形成3nm的Sb薄膜；
因此，最终制得的相变薄膜通式为[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4。
对比例1
采用与实施例1相类似的制备方法，不同之处在于：将SiO2/Si(100)基片只对准1号靶位，开启直流溅射电源，溅射形成一层单质Sb薄膜，重复溅射多次形成约50nm的单质Sb薄膜后关闭1号靶位的直流溅射电源。
对比例2
采用与实施例1相类似的制备方法，不同之处在于：将SiO2/Si(100)基片只对准2号靶位，开启直流溅射电源，溅射形成一层SnSe2薄膜，重复溅射多次形成约50nm的SnSe2薄膜后关闭2号靶位的直流溅射电源。
对比例3
采用与实施例1相类似的制备方法，不同之处在于：将Ge2Sb2Te5安装在1号靶位内，并将SiO2/Si(100)基片对准1号靶位，开启直流溅射电源，溅射形成一层Ge2Sb2Te5薄膜，重复溅射多次形成约50nm的Ge2Sb2Te5薄膜后关闭1号靶位的直流溅射电源。
将上述实施例1～2和对比例1～3的纳米相变薄膜材料进行测试，得到各相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线，如图1所示；将上述实施例1～2和对比例3的纳米相变薄膜材料进行测试，利用Kissinger方程拟合得到各相变薄膜材料的结晶激活能，如图2所示；将实施例1～2和对比例3的纳米相变薄膜材料进行测试，利用Arrhenius方程得到各相变薄膜材料的结晶活化能，并推算出十年数据保持力，如图3所示；将实施例1中[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4组分的纳米相变薄膜材料和对比例2中的SnSe2(50nm)纳米相变薄膜材料进行X-ray Reflectivity测试，得到X射线反射率与入射角的关系曲线，如图4所示；将实施例1中[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4组分的纳米相变薄膜材料经过皮秒激光脉冲照射，得到皮秒激光脉冲照射时反射率与时间的关系曲线，如图5所示；将实施例1中[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4组分的纳米相变薄膜材料制备成相变存储器并进行电学性能测试，得到相变存储器的I-V和R-V特性曲线，如图6所示。
上述图1～图6的检测结果如下：
图1为本发明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5、SnSe2、Sb相变材料的原位电阻随温度的变化的曲线，升温速率均为10℃/min。类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4和Ge2Sb2Te5、SnSe2纳米相变薄膜在低温情况下均处于高阻的非晶态，随着温度的升高，薄膜的电阻缓慢下降。当温度达到晶化温度时，薄膜开始晶化，此时薄膜电阻急剧下降。当温度继续升高时，此时薄膜电阻保持相对稳定，表明薄膜已经完全晶化。单质Sb的阻值随着温度的升高始终保持不变，且阻值较低，表明单质Sb材料在室温下已经完全结晶。由图1可知，类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜比SnSe2相变材料具有更低的非晶态电阻，且非晶态和晶态电阻之比及晶化温度随着SnSe2和Sb的厚度比的减小而减小。通过权衡热稳定性和相变速度、非晶态和晶态电阻，研究发现类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜在晶化温度、相变速度、非晶态电阻和晶态电阻等方面具有较好的综合性能。
图2为本发明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5相变材料Kissinger拟合所得的结晶激活能。由图可知，类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4和[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜的激活能分别为3.03eV和3.10eV，均高于Ge2Sb2Te5相变材料的2.37eV。较大的激活能表明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜具有较好的热稳定性。
图3为本发明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4相变薄膜及用于对比的Ge2Sb2Te5相变材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。根据存储器业界的评判标准，利用相变材料将数据保持10年所对应的温度来评价相变材料的数据保持力。由图3可知，类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜的十年数据保持力分别为116℃和112℃，均优于Ge2Sb2Te5相变材料的75℃，表明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4、[SnSe2(10nm)/Sb(3nm)]4纳米相变薄膜可应用于消费类电子产品领域。
图4为本发明的类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜和对比的SnSe2相变材料经过XRR测试得到的X射线反射率随入射角的变化关系。图(a)和图(b)分别为SnSe2相变材料和类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜在沉积态和300℃退火10min的X射线反射率和入射角的变化曲线。比较图(a)和图(b)发现相变薄膜晶化后，其临界角及最大强度或最小强度所对应的角度整体向大角度方向偏移，表明薄膜的体积或密度在结晶前后发生变化，即晶化后体积变小、密度变大。通过修正的布拉格公式计算出SnSe2相变材料和类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜的体积变化比分别为9.1％和3.5％，而Ge2Sb2Te5相变材料在结晶前后体积变化为6.8％，可见类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜具有较小的体积和密度变化，有助于相变材料与上下电极接触的可靠性，有利于提升PCM的循环寿命。
图5为本发明的类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜在皮秒激光脉冲照射下反射率随时间的变化关系。图(a)和图(b)分别为类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜从非晶态到晶态的SET过程和从晶态到非晶态的RESET过程。PCRAM器件的速度主要取决于相变层的SET过程。由图可知，类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜的SET过程仅需11.9ns，远远小于Ge2Sb2Te5相变材料所需的50ns，表明类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4纳米相变薄膜具有较快的相变速度。
图6为基于本发明的类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4相变薄膜的PCRAM器件单元的I-V和R-V特性曲线。从PCRAM器件单元的I-V曲线可以得到其阈值电压为3.89V，小于Ge2Sb2Te5的阈值电压(4.18V)。从PCRAM器件单元的R-V曲线中可以看出基于类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4相变薄膜的PCRAM器件RESET态和SET态电阻之比约为一个数量级，可以满足PCRAM器件高低电阻之比的要求；基于类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4相变薄膜的PCRAM器件在20ns脉冲作用下能出现完整的电阻窗口，表明该器件在20ns脉冲作用下能实现可逆的SET和RESET过程，可以满足高速的要求；根据功率计算公式P＝V2/R可知，SET态的电阻值越高，则器件的功耗越低，基于类超晶格[SnSe2(10nm)/Sb(2nm)]4相变薄膜的PCRAM器件具有较高的SET态电阻(约为105Ω)，表明该器件具有较低的功耗，可以实现PCRAM器件的低功耗。
综合图1～6可知本发明的类超晶格相变薄膜具有热稳定性好、相变速度快、体积变化小，功耗较低等优点，具备优良的综合性能。
实施例3
一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种薄膜通过多层纳米复合形成类超晶格结构，该相变薄膜的结构通式为[SnSe2(8nm)/Sb(1.5nm)]5，其中，每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度为8nm，每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度为1.5nm，相变薄膜的周期数为5，因此该相变薄膜的总厚度为47.5nm。
该相变薄膜的制备方法，主要包括以下几个步骤：
1.清洗SiO2/Si(100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质：
(a)将基片置于乙醇溶液中，用超声清洗15分钟，去基片表面灰尘颗粒以及无机杂质；
(b)将基片置于丙酮溶液中，用超声清洗15分钟，去基片表面有机杂质；
(c)将基片置于去离子水中，用超声清洗15分钟，再次清洗表面；
(e)取出基片，用高纯N2吹干表面和背面，放置在干燥箱内待用。
2.采用磁控溅射方法制备纳米复合多层薄膜的前期准备：
(a)将Sb单质靶材和合金靶材SnSe2分别放在溅射仪的1号和2号靶位上，将SiO2/Si(100)基片固定在样品托盘上，关闭对外通气阀，密封腔体；
(b)开启真空计和机械泵抽真空，待腔体内真空达到5Pa或以下时，启动分子泵，抽真空至2*10-4Pa以下；
(c)设置Sb和SnSe2靶材的直流溅射功率均为20W；
(d)使用高纯Ar气作为溅射气体，Ar气流量设为30SCCM，溅射气压为0.2Pa。
3.用镀膜监控程序进行镀膜，所需要的溅射厚度，可以通过溅射时间来实现，其中Sb靶材的溅射速度为0.9s/nm，SnSe2靶材的溅射速度为0.8s/nm：
(a)将基片旋转到Sb靶位(1号靶位)，开启直流溅射电源，溅射1.67s形成1.5nm的Sb薄膜，溅射完毕后，关闭Sb靶位的直流溅射电源。
(b)将基片旋转到SnSe2靶位(2号靶位)，开启直流溅射电源，溅射10s形成8nm的SnSe2薄膜，溅射完毕后，关闭SnSe2靶位的直流溅射电源，这样就形成了1层相变薄膜。
(c)重复上述(a)、(b)两步，直到形成5层纳米复合相变薄膜。
将制得的相变薄膜应用于PCRAM器件利用相变材料非晶态时的高阻和晶态时的低阻进行存储逻辑数据“1”和“0”，实现信息储存。
实施例4
一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种薄膜通过多层纳米复合形成类超晶格结构，该相变薄膜的结构通式为[SnSe2(13nm)/Sb(2nm)]4，其中，每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度为13nm，每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度为2nm，相变薄膜的周期数为4，因此该相变薄膜的总厚度为60nm。
该相变薄膜的制备方法，主要包括以下几个步骤：
1.清洗SiO2/Si(100)基片表面、背面，去除灰尘颗粒、有机与无机杂质：
(a)将基片置于乙醇溶液中，用超声清洗30分钟，去基片表面灰尘颗粒以及无机杂质；
(b)将基片置于丙酮溶液中，用超声清洗30分钟，去基片表面有机杂质；
(c)将基片置于去离子水中，用超声清洗30分钟，再次清洗表面；
(e)取出基片，用高纯N2吹干表面和背面，放置在干燥箱内待用。
2.采用磁控溅射方法制备纳米复合多层薄膜的前期准备：
(a)将Sb单质靶材和合金靶材SnSe2分别放在溅射仪的1号和2号靶位上，将SiO2/Si(100)基片固定在样品托盘上，关闭对外通气阀，密封腔体；
(b)开启真空计和机械泵抽真空，待腔体内真空达到5Pa或以下时，启动分子泵，抽真空至2*10-4Pa以下；
(c)设置Sb和SnSe2靶材的直流溅射功率均为30W；
(d)使用高纯Ar气作为溅射气体，Ar气流量设为50SCCM，溅射气压为0.3Pa。
3.用镀膜监控程序进行镀膜，所需要的溅射厚度，可以通过溅射时间来实现，其中Sb靶材的溅射速度为2.5s/nm，SnSe2靶材的溅射速度为2.5s/nm：
(a)将基片旋转到Sb靶位(1号靶位)，开启直流溅射电源，溅射0.8s形成2nm的Sb薄膜，溅射完毕后，关闭Sb靶位的直流溅射电源。
(b)将基片旋转到SnSe2靶位(2号靶位)，开启直流溅射电源，溅射5.2s形成13nm的SnSe2薄膜，溅射完毕后，关闭SnSe2靶位的直流溅射电源，这样就形成了1层相变薄膜。
(c)重复上述(a)、(b)两步，直到形成4层纳米复合相变薄膜。
将制得的相变薄膜应用于PCRAM器件利用相变材料非晶态时的高阻和晶态时的低阻进行存储逻辑数据“1”和“0”，实现信息储存。
实施例5
采用与实施例3相同的制备方法，不同之处在于：
(1)将基片旋转到Sb靶位(1号靶位)，开启直流溅射电源，溅射2.22s形成2nm的Sb薄膜；
(2)重复溅射SnSe2材料和单质Sb材料，重复四次，形成4层纳米复合相变薄膜。
因此，最终制得的相变薄膜通式为[SnSe2(8nm)/Sb(2nm)]4，该相变薄膜的总厚度为40nm。
Claims (6)
1.一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜，其特征在于，该相变薄膜包括SnSe2材料和单质Sb材料，两种材料通过交替叠加形成类超晶格结构，所述相变薄膜的结构通式为[SnSe2(a)/Sb(b)]x，类超晶格相变薄膜的总厚度为40～60nm，其中，a为每层相变薄膜中SnSe2材料的厚度，a为8～12nm，b为每层相变薄膜中单质Sb材料的厚度，b为1.5～3nm，x为类超晶格相变薄膜结构的周期数，x为4或5。
2.一种如权利要求1所述的类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，该制备方法通过磁控溅射的方法将两种材料进行纳米多层复合构成类超晶格结构，该制备方法具体包括以下几个步骤：
(1)将SiO2/Si(100)基片依次置于乙醇、丙酮、去离子水中，超声清洗15～30min，然后用N2吹干，待用；
(2)将溅射靶材安装于溅射仪上，先后开启机械泵和分子泵抽真空至2x10-4Pa以下，设定溅射气体的流量、腔内溅射气压、靶材的溅射功率，其中，所述溅射仪包括1号靶位、2号靶位和样品托盘，步骤(2)所述将溅射靶材安装于溅射仪上包括：将单质Sb材料安装在1号靶位，将SnSe2材料安装在2号靶位，将SiO2/Si(100)基片安装在样品托盘上，然后密闭溅射仪；
(3)用镀膜监控程序进行镀膜，依次将单质Sb材料和SnSe2材料溅射至基片上，制得类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜。
3.根据权利要求2所述一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射气体为Ar气，溅射气体的流量为30～50SCCM，溅射气压为0.2～0.3Pa，溅射功率为20～30W。
4.根据权利要求2所述一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，所述用镀膜监控程序进行镀膜包括以下步骤：
(a)将基片旋转到1号靶位，设定单质Sb材料溅射速度，开启直流溅射电源，溅射Sb薄膜，溅射完毕后，关闭1号靶位的直流溅射电源；
(b)将基片旋转到2号靶位，设定SnSe2材料溅射速度，开启直流溅射电源，溅射SnSe2薄膜，溅射完毕后，关闭2号靶位的直流溅射电源，得到一层相变薄膜；
(c)重复步骤(a)和步骤(b)，直到达到相变薄膜设定的周期数。
5.根据权利要求4所述一种类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜的制备方法，其特征在于，所述的单质Sb材料溅射速度为0.9～2.5s/nm，SnSe2材料溅射速度为0.8～2.5s/nm。
6.一种如权利要求1所述的类超晶格锡硒/锑纳米相变薄膜的应用，其特征在于，该相变薄膜应用于PCRAM器件。
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