CN106953006A - 一种SiO2 掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 - Google Patents
一种SiO2 掺杂Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种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。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域的材料，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明设计思路如下：
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。本发明中，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，本发明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：CN 201610851659.7，一种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。本发明的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。
本发明提供一种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。
本发明的，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；本发明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。
本发明所述的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。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种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。
根据本发明所述的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。
根据本发明所述的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。
根据本发明所述的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；
本发明中在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直径的SiO2圆形靶材片，在SiO2/Si(100)基片上分别制备出(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、和(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料。
本发明的SiO2掺杂Sb纳米相变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，本发明获得的SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料制备方法比较简单，工艺参数容易有效控制，从而得到预期成分的样品。相比于SiO2/Sb类超晶格纳米相变薄膜材料，本发明的掺杂相变材料成分的均匀性更好，从而器件的稳定性更佳。
其次，相比于Sb材料，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；
再次，SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度，由图4可见，在5ns宽度的电压脉冲下，基于SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的PCRAM器件能够实现完整的SET和RESET转变，表明其具有较快的存储速度；
再次，SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料中不含有有毒、易挥发的Te元素，因而相比传统的Ge2Sb2Te5材料，对人体和环境的影响较小。
附图说明
图1为本发明的(SiO2)0.36Sb0.64材料的扫描电镜元素分析能谱结果。
图2为本发明所提供的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线。
图3为本发明的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。
图4为基于本发明的(SiO2)0.36Sb0.64以及用于对比的Ge2Sb2Te5纳米相变薄膜材料的PCRAM器件的电阻～电压变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
实施例1
本实施例中制备的(SiO2)xSb1-x纳米相变薄膜材料结构具体为(SiO2)0.22Sb0.78，制备步骤为：
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；
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。
2.采用射频磁控溅射方法制备(SiO2)0.22Sb0.78薄膜前准备：
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，以下称为(SiO2)xSb1-x。Sb和SiO2靶材片的纯度均达到99.999％(原子百分比)，并将本底真空抽至2×10-4Pa；
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。
3.采用磁控溅射方法制备(SiO2)0.22Sb0.78纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到(SiO2)xSb1-x复合靶位，打开(SiO2)xSb1-x复合靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(150s)，开始对(SiO2)xSb1-x复合靶表面进行溅射，清洁(SiO2)xSb1-x复合靶靶材表面；
b)(SiO2)xSb1-x复合靶表面清洁完成后，关闭(SiO2)xSb1-x复合靶上所施加的射频电源，将待溅射基片(即步骤1)清洗后的SiO2/Si(100)基片)旋转到(SiO2)xSb1-x复合靶靶位，开启(SiO2)xSb1-x复合靶靶位射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射(SiO2)0.22Sb0.78薄膜。
最终获得的(SiO2)0.22Sb0.78薄膜厚度为50nm，薄膜厚度通过溅射时间来控制，(SiO2)0.22Sb0.78的溅射速率为2.53s/nm。
实施例2
本实例中制备的(SiO2)xSb1-x纳米相变薄膜材料的具体结构分别为(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60，且所述(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料的厚度均为50nm。
上述(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料的制备方法与实施例1相同，仅在使用的SiO2片直径上有所区别，(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60所使用的圆形SiO2片的直径分别为20mm和30mm。
对比例1
本对比例中制备单层Ge2Sb2Te5相变薄膜材料，厚度50nm，制备步骤为：
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；
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。
2.采用射频溅射方法制备Ge2Sb2Te5薄膜前准备：
a)装好Ge2Sb2Te5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2×10-4Pa；
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。
3.采用磁控溅射方法制备Ge2Sb2Te5纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到Ge2Sb2Te5靶位，打开Ge2Sb2Te5靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(150s)，开始对Ge2Sb2Te5靶材进行溅射，清洁Ge2Sb2Te5靶材表面；
b)Ge2Sb2Te5靶材表面清洁完成后，关闭Ge2Sb2Te5靶上所施加的射频电源，将待溅射基片旋转到Ge2Sb2Te5靶位，开启Ge2Sb2Te5靶位射频电源，依照设定的溅射时间(530s)，开始溅射Ge2Sb2Te5薄膜。
对比例2
本对比例中制备单层Sb相变薄膜材料，厚度50nm，制备步骤为：
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；
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。
2.采用射频溅射方法制备Sb薄膜前准备：
a)装好Sb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2×10-4Pa；
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。
3.采用磁控溅射方法制备Sb纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到Sb靶位，打开Sb靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(150s)，开始对Sb靶材进行溅射，清洁Sb靶材表面；
b)Sb靶材表面清洁完成后，关闭Sb靶上所施加的射频电源，将待溅射基片旋转到Sb靶位，开启Sb靶位射频电源，依照设定的溅射时间(450s)，开始溅射Sb薄膜。
将上述实施例2中的(SiO2)0.36Sb0.64薄膜材料进行扫描电镜元素分析，得到能谱分析结果如图1所示；将上述实施例1和2的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60以及对比例2的Sb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图2；将上述实施例1和2的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64和(SiO2)0.40Sb0.60相变薄膜材料进行测试，得到失效时间与温度倒数的对应关系曲线图3。制备基于上述实施例2的(SiO2)0.36Sb0.64和对比例1的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料的PCRAM器件并进行测试，得到不同电压脉冲宽度下的电阻～电压变化曲线图4。图1-图4的检测结果如下：
图1为本发明的(SiO2)0.36Sb0.64材料的扫描电镜能谱分析图，结果显示在新制备的复合相变材料中明显含有Si、O、Sb三种元素，表明SiO2已经成功掺杂进入Sb材料中。
图2为本发明的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、(SiO2)0.40Sb0.60和对比例2中的Sb纳米相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线，测试过程中的升温速率为30℃/min。图2显示，在整个升降温过程中Sb材料的电阻始终维持在低电阻值，表明在溅射过程中由于Sb材料较差的热稳定性，已经发生的结晶现象。而经过SiO2掺杂之后的复合材料，在低温下，所有薄膜处于高电阻的非晶态。随着温度的不断升高，薄膜电阻缓慢降低，当达到其相变温度时，薄膜电阻迅速降低，降到某一值后基本保持该电阻不变，表明薄膜发生了由非晶态到晶态的转变。测试结果表明，随SiO2含量的增加，薄膜的晶化温度由(SiO2)0.22Sb0.78的199℃增加到了(SiO2)0.36Sb0.64、(SiO2)0.40Sb0.60的231℃和236℃，表明相变薄膜材料的热稳定性有了较大的提高。同时，相变薄膜材料的晶态电阻由Sb的2515Ω增加到了(SiO2)0.40Sb0.6的23394Ω，扩大了近10倍，从而有效降低了RESET过程的功耗。
图3为本发明的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。根据业内的统一评判标准之一，将数据保持10年时对应的温度来评判材料的数据保持能力，对应的温度越高材料的数据保持能力越强。可以看出，本发明的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料分别能在113、154和162℃环境下将数据保持10年，相比于纯Sb材料的室温溅射过程即晶化其热稳定性有了较大提高。而传统的Ge2Sb2Te5相变薄膜材料也仅能够在85℃环境下将数据保持10年。可见，本发明的(SiO2)0.22Sb0.78、(SiO2)0.36Sb0.64、(SiO2)0.40Sb0.60纳米相变薄膜材料具有比传统Ge2Sb2Te5薄膜材料更加优异的数据保持能力，可用于高温数据存储。
图4为基于本发明的(SiO2)0.36Sb0.64以及用于对比的Ge2Sb2Te5纳米相变薄膜材料的PCRAM器件的电阻～电压变化曲线。结果显示，Ge2Sb2Te5相变存储器在500ns的电脉冲激发下，其RESET电压为3.6V，而(SiO2)0.36Sb0.64相变存储器在5ns电脉冲激发下的RESET电压仅为2.2V。一般来说，电脉冲宽度越小需要的RESET电压值越大，所以可以发现本发明的(SiO2)0.36Sb0.64材料具有更低的操作功耗。此外，(SiO2)0.36Sb0.64相变存储器件可以在5ns宽的电脉冲激发下实现完整的SET和REST过程，而Ge2Sb2Te5相变存储器件在100ns宽度的电脉冲下已经很难实现完整的SET和REST过程，表明本发明的(SiO2)0.36Sb0.64材料拥有更快的相变速度。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。
Claims (9)
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，30分钟。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤2)的具体步骤为：
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；
b)设定溅射功率40W；
c)使用高纯Ar气作为溅射气体，设定Ar气流量为40sccm，并将溅射气压调节至0.4Pa。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于：步骤2)中所述Sb溅射靶材和SiO2靶材片的原子百分比纯度均达到99.999％；所述高纯Ar气的体积百分比纯度达到99.999％。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤3)中具体步骤为：
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，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。
9.一种权利要求1所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料的用途，其特征在于：所述SiO2掺杂Sb纳米相变薄膜材料用于制备相变存储器。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109817807A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-28 | 江苏理工学院 | 一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法 |
| CN109904310A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种环境友好型Sn-Sb-Ti纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN109904311A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti系列纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN110176536A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-27 | 宁波大学 | 一种兼具高速和高数据保持力的二氧化钒-Sb薄膜材料及其制备方法 |
| CN112786782A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-05-11 | 宁波大学 | 一种用于相变存储器的Sb-Si3N4薄膜材料及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102487119A (zh) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的Sb2Tex-SiO2纳米复合相变材料及制备方法 |
| CN105514266A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 稀土掺杂Sb基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN106185799A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-07 | 江苏理工学院 | 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 |
| CN106374041A (zh) * | 2016-09-26 | 2017-02-01 | 江苏理工学院 | 一种Sb70Se30/SiO2多层纳米复合相变薄膜材料及其制备方法和应用 |
| CN106410025A (zh) * | 2016-10-19 | 2017-02-15 | 江苏理工学院 | 一种掺氧的Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 |
-
2017
- 2017-02-24 CN CN201710101641.XA patent/CN106953006A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102487119A (zh) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的Sb2Tex-SiO2纳米复合相变材料及制备方法 |
| CN105514266A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-20 | 江苏理工学院 | 稀土掺杂Sb基相变薄膜材料及薄膜制备方法 |
| CN106185799A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-07 | 江苏理工学院 | 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 |
| CN106374041A (zh) * | 2016-09-26 | 2017-02-01 | 江苏理工学院 | 一种Sb70Se30/SiO2多层纳米复合相变薄膜材料及其制备方法和应用 |
| CN106410025A (zh) * | 2016-10-19 | 2017-02-15 | 江苏理工学院 | 一种掺氧的Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| MIN ZHUMIN等: "hase Change Characteristics of SiO2 Doped Sb2Te3 Materials for Phase Change Memory Application", 《ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE LETTERS》 * |
| SEUNG-WOOK等: "Thermal Stability of SiO 2 Doped Ge 2 Sb 2 Te 5 for Application in Phase Change Random Access Memory", 《JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE 》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109904310A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种环境友好型Sn-Sb-Ti纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN109904311A (zh) * | 2017-12-08 | 2019-06-18 | 江苏理工学院 | 一种用于相变存储器的Sb-Se-Ti系列纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN109904310B (zh) * | 2017-12-08 | 2022-12-23 | 江苏理工学院 | 一种环境友好型Sn-Sb-Ti纳米复合相变薄膜及其制备方法 |
| CN109817807A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-28 | 江苏理工学院 | 一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法 |
| CN110176536A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-27 | 宁波大学 | 一种兼具高速和高数据保持力的二氧化钒-Sb薄膜材料及其制备方法 |
| CN110176536B (zh) * | 2019-04-18 | 2023-04-18 | 宁波大学 | 一种二氧化钒-Sb薄膜材料及其制备方法 |
| CN112786782A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-05-11 | 宁波大学 | 一种用于相变存储器的Sb-Si3N4薄膜材料及其制备方法 |
| CN112786782B (zh) * | 2021-01-11 | 2022-09-20 | 宁波大学 | 一种用于相变存储器的Sb-Si3N4薄膜材料及其制备方法 |
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