CN109817807A - 一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于微电子薄膜材料技术领域，具体涉及一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料由ZnSb薄膜层和SiO2薄膜层交替沉积复合而成，其中ZnSb薄膜层的厚度为1‑10nm，SiO2薄膜层的厚度为1‑10nm，ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料总厚度为2‑100nm。本发明制备的薄膜材料具有较好的热稳定性、较低的功耗和较快的相变速度，是理想的相变存储材料。
Description
技术领域
本发明属于微电子薄膜材料技术领域，具体涉及一种类超晶格 ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法。
背景技术
相变存储器是一种非易失性新型存储器，它具有存取速度快，拥有较好的热稳定性、存储存储密度高、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。基于硫系化合物材料的相变存储介质是相变存储器的基础和核心,相变材料的性能决定相变存储器的性能。最早在1968年发现了硫系化合物材料具有“有序 -无序”可逆转变现象,并指出利用这种现象可实现信息的存储.随后经过30多年的研究,硫系化合物薄膜在光存储领域实现了商品化,广泛应用在CD-RW,DVD-RW,DVD-RAM和蓝光相变光盘.硫系化合物材料发生相变时不仅具有光学反射率的显著变化,同时也伴随着巨大的电导率变化,因而这类材料在半导体存储器领域也具有广阔的应用潜力。
Ge2Sb2Te5相变材料因其性能优异，是当前研究最多、应用最广的相变存储材料。近年来，为了实现更高稳定性、更快相变速度的目的，越来越多的新型相变存储材料被不断开发出来。Peng等开发出了Al-Sb-Te相变材料，不但具有小于10ns的较快相变速度，而且在124℃的高温下能够将数据保持10年时间，具有较好的热稳定性 (具体内容详见2011年第4期第99卷Applied Physics Letters第043105- 1至043105-3页)。Lu等开发出了具有超长数据保持能力的 Ga14Sb86合金，其10年数据保持温度达到162℃，可用于高温环境下的数据存储(具体内容详见2011年第6期第109卷Journal Of Applied Physics第064503-1至064503-3页)。
传统的Ge2Sb2Te5相变材料中含有Te元素，Te材料熔点低、易挥发，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，这些都阻碍了PCRAM的产业化推进。
发明内容
本发明主要提供了一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料具有较好的热稳定性、较低的功耗和较快的相变速度，是理想的相变存储材料。其技术方案如下：
一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料，其由ZnSb薄膜层和SiO2薄膜层交替沉积复合而成，其中ZnSb薄膜层的厚度为1- 10nm，SiO2薄膜层的厚度为1-10nm，ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料总厚度为2-100nm。
优选的，所述薄膜材料采用磁控溅射方法制备，衬底为 SiO2/Si基片，溅射靶材为ZnSb和SiO2。
一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗衬底基片；
(2)安装溅射靶材，调节溅射气流量、溅射气压及溅射功率；
(3)将空基托旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶上的射频电源，设定溅射时间，开始对ZnSb靶材表面进行溅射，然后清洁ZnSb靶位表面；
(4)关闭ZnSb靶位上所施加的射频电源，将空基托旋转到 SiO2靶位，开启SiO2靶上的射频电源，设定溅射时间，开始对 SiO2靶材表面进行溅射，然后清洁SiO2靶位表面；
(5)将待溅射的基片旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶位上的射频电源，设定溅射时间，开始溅射ZnSb薄膜层；
(6)关闭ZnSb靶上所施加的直流电源，将基片旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶位射频电源，设定溅射时间，开始溅射SiO2薄膜层；
(7)重复步骤(5)-(6)，得到总厚度为2-100nm的 ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料。
优选的，步骤(1)中衬底基片为SiO2/Si基片。
优选的，步骤(2)中使用的溅射气体为氩气，流量为45- 60SCCM，溅射气压为0.6-0.7Pa。
优选的，溅射气体流量为55SCCM，溅射气压为0.65Pa。
优选的，本底真空度不大于3×10-4Pa。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
本发明制备的纳米相变薄膜材料利用类超晶格结构的特殊性，可以阻碍加热过程中的声子传递，从而减少热量散失，降低薄膜的整体热导率，提高加热效率、降低功耗。其次，利用类超晶格结构中多层界面的夹持效应，可以减小晶粒尺寸，从而缩短结晶时间，抑制晶化，在提高热稳定性的同时加快相变速度，最终使相变存储器具有更快的操作速度以及更低的操作功耗，是理想的相变存储材料。
附图说明
图1为实施例1中不同厚度的相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图；
图2为对比例1中ZnSb纳米相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图；
图3为对比例2中GST纳米相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图；
图4为实施例1中不同厚度的相变薄膜材料的多周期的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
本实施例中制备[ZnSb(a)/SiO2(b)]x，式中a、b分别表示所述的单层ZnSb薄膜和单层SiO2薄膜的厚度，1≤a≤10nm，1≤b≤10nm， x表示单层ZnSb和单层SiO2薄膜的交替周期数或者交替层数，且 x为正整数。相变薄膜的总厚度可由x与所述单层ZnSb和单层 SiO2薄膜的厚度计算所得，即(a+b)*x(nm)。
以下制备的材料结构具体为[ZnSb(9)/SiO2(1)]10、 [ZnSb(8/SiO2(2)]10、[ZnSb(7)/SiO2(3)]10。
制备步骤为：
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50-60分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗40-50分钟，去离子水冲洗，高纯 N2吹干表面和背面；
c)在150℃烘箱内烘干水汽，约35分钟。
2.采用磁控溅射方法制备[ZnSb(a)/SiO2(b)]x多层复合薄膜前准备：
a)装好ZnSb和SiO2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)设定溅射功率为65W；
c)使用高纯Ar作为溅射气体(体积百分比达到99.999％)，设定Ar气流量为55SCCM，并将溅射气压调节至0.65Pa。
3.采用磁控交替溅射方法制备[ZnSb(a)/SiO2(b)]x多层复合薄膜：
a)将空基托旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶上的直流电源，依照设定的溅射时间(如100s)，开始对ZnSb靶材表面进行溅射，清洁ZnSb靶位表面；
b)ZnSb靶位表面清洁完成后，关闭ZnSb靶位上所施加的直流电源，将将空基托旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶上的射频电源，依照设定的溅射时间(如125s)，开始对SiO2靶材表面进行溅射，清洁SiO2靶位表面；
c)SiO2靶位表面清洁完成后，将待溅射的基片旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶位上的直流电源，依照设定的溅射时间，开始溅射ZnSb薄膜；
d)ZnSb薄膜溅射完成后，关闭ZnSb靶上所施加的直流电源，将基片旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶位射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射SiO2薄膜；
e)重复c)和d)两步，即在SiO2/Si(100)基片上制备 [ZnSb(a)/SiO2(b)]x多层复合相变薄膜材料。
最终获得[ZnSb(9)/SiO2(1)]10、[ZnSb(8/SiO2(2)]10、 [ZnSb(7)/SiO2(3)]10。
类超晶格相变薄膜材料，薄膜厚度通过溅射时间来控制， ZnSb的溅射速率为6.7s/nm，SiO2的溅射速率为4.5s/nm。
对比例1
本对比例中制备单层ZnSb相变薄膜材料，厚度100nm。
制备步骤为：
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40-50分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗50-60分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；
c)在160℃烘箱内烘干水汽，约40分钟。
2.采用射频溅射方法制备ZnSb薄膜前准备：
a)装好ZnSb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4×10-4Pa；
b)设定溅射功率65W；
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55SCCM，并将溅射气压调节至0.65Pa。
3.采用磁控溅射方法制备ZnSb纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(100s)，开始对ZnSb靶材进行溅射，清洁ZnSb靶材表面；
b)ZnSb靶材表面清洁完成后，关闭ZnSb靶上所施加的直流电源，将代溅射基片旋转到ZnSb靶位，开启GST靶位直流电源，依照设定的溅射时间(670s)，开始溅射单层ZnSb薄膜。
对比例2
本对比例中制备单层GST相变薄膜材料，厚度100nm。
制备步骤为：
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40-50分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗50-60分钟，去离子水冲洗，高纯 N2吹干表面和背面；
c)在160℃烘箱内烘干水汽，约40分钟。
2.采用射频溅射方法制备GST薄膜前准备：
a)装好GST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4×10-4Pa；
b)设定溅射功率65W；
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55SCCM，并将溅射气压调节至0.65Pa。
3.采用磁控溅射方法制备GST纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到GST靶位，打开GST靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(100s)，开始对GST靶材进行溅射，清洁 GST靶材表面；
b)GST靶材表面清洁完成后，关闭GST靶上所施加的直流电源，将代溅射基片旋转到GST靶位，开启GST靶位直流电源，依照设定的溅射时间(350s)，开始溅射单层GST薄膜。
结果分析
将实施例和对比例制备的3种[ZnSb(a)/SiO2(b)]x类超晶格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1。
由图1可知，随着[ZnSb(a)/SiO2(b)]x类超晶格相变薄膜中SiO2层相对厚度的增加，相变薄膜的晶化温度升高，更高的晶化温度意味着更好的热稳定性。
图2为本发明对比例1中ZnSb纳米相变薄膜材料的结构示意图原位电阻与温度的关系曲线图，发生相变的温度是185℃，可以将图 1和图2对比可以得知通过将ZnSb和SiO2两者相复合可以发现[ZnSb (a)/SiO2(b)]x类超晶格相变薄膜的相变温度得到了提升。
图3为本发明对比例2中GST纳米相变薄膜材料的结构示意图原位电阻与温度的关系曲线图,可以发现GST材料有2次相变，第一次发生相变的温度是160℃，二次相变则发生在271℃。将图1和图3两者进行对比可以发现[ZnSb(a)/SiO2(b)]x类超晶格相变薄膜的相变温度高于传统的GST材料，这也说明了[ZnSb(a)/SiO2(b)]x类超晶格相变薄膜的热稳定性要由于GST材料；
图4为本发明的[ZnSb(a)/SiO2(b)]x纳米相变薄膜材料的多周期的结构示意图，层a代表着ZnSb层，层b代表着SiO2层。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料，其特征在于：其由ZnSb薄膜层和SiO2薄膜层交替沉积复合而成，其中ZnSb薄膜层的厚度为1-10nm，SiO2薄膜层的厚度为1-10nm，ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料总厚度为2-100nm。
2.根据权利要求1所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料，其特征在于：所述薄膜材料采用磁控溅射方法制备，衬底为SiO2/Si基片，溅射靶材为ZnSb和SiO2。
3.一种如权利要求1所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)清洗衬底基片；
(2)安装溅射靶材，调节溅射气流量、溅射气压及溅射功率；
(3)将空基托旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶上的射频电源，设定溅射时间，开始对ZnSb靶材表面进行溅射，然后清洁ZnSb靶位表面；
(4)关闭ZnSb靶位上所施加的射频电源，将空基托旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶上的射频电源，设定溅射时间，开始对SiO2靶材表面进行溅射，然后清洁SiO2靶位表面；
(5)将待溅射的基片旋转到ZnSb靶位，打开ZnSb靶位上的射频电源，设定溅射时间，开始溅射ZnSb薄膜层；
(6)关闭ZnSb靶上所施加的直流电源，将基片旋转到SiO2靶位，开启SiO2靶位射频电源，设定溅射时间，开始溅射SiO2薄膜层；
(7)重复步骤(5)-(6)，得到总厚度为2-100nm的ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料。
4.根据权利要求3所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中衬底基片为SiO2/Si基片。
5.根据权利要求3所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中使用的溅射气体为氩气，流量为45-60SCCM，溅射气压为0.6-0.7Pa。
6.根据权利要求5所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：溅射气体流量为55SCCM，溅射气压为0.65Pa。
7.根据权利要求3所述的类超晶格ZnSb/SiO2纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：本底真空度不大于3×10-4Pa。
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