[发明专利]一种高性能锗锑碲相变薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变材料领域，具体涉及一种高性能锗锑碲相变薄膜材料及其制备方法。

背景技术

基于硫系相变材料的相变存储器利用材料在晶态和非晶态之间相互转换产生的光/电巨大差异来实现数据写入和擦除，因此提高其存储性能是现在存储器研究的一个热点。目前成功应用在存储器中的相变材料多为锗锑碲三元合金，尤其以综合性能优异的Ge₂Sb₂Te₅(GST)应用范围最广。但是GST本身仍存在两个不利于存储性能的关键问题：一是非晶态电阻漂移系数大(0.1-0.13左右)，致使存储器因GST电阻不稳定发生数据丢失等问题，严重降低存储密度和稳定性；二是中间电阻态所处的温度区间过窄(160℃-250℃)，电阻变化速率大(2.48Ω/100℃)，导致器件在读取数据的过程中分辨率差，抑制了多级存储功能的实现。因此，如何降低非晶态电阻漂移、提高中间电阻态的温度范围以及降低电阻下降速率对提高存储性能至关重要。

目前降低非晶态电阻漂移并提高中间电阻态温度范围的技术难点主要集中在四个方面：(1)已有研究对电阻漂移产生的原因仍不明确，所以如何降低电阻漂移工作进展一直缓慢，并没有一种切实有效的方法大幅度降低电阻漂移系数；(2)存在中间电阻态的原因仍不清楚，如何控制中间电阻态更是缺少相关报道，造成延长中间电阻态温度范围、降低电阻下降速率，以获得较宽温度范围十分困难；(3)除了电阻漂移和中间电阻态区间以外，结晶温度和电阻对比度也是重要性质。高的结晶温度使GST更适用于高温环境下工作，非晶、结晶两相电阻的对比度越大，越利于提高存储密度。如何降低非晶态电阻漂移系数、延长中间电阻态温度范围以及降低电阻下降速率的同时提高GST的结晶温度与非晶、结晶两相电阻的对比度也极具挑战；(4)这种改性方法要保持沉积态为非晶状态，同时要具备最基本的非晶-结晶转变特性以研究准平台区间的温度范围。因此，同时解决上述4个技术难题可以获得低电阻漂移系数、高分辨率、高结晶温度及高存储密度的相变材料，但这大大提高了研究难度和复杂性，使相变存储技术取代现有技术面临严峻挑战。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性能锗锑碲相变薄膜材料及其制备方法，本发明制备的锗锑碲相变薄膜材料具有极低的非晶态电阻漂移系数、大的中间电阻态温度范围、低的电阻下降速率、而且在提高结晶温度与非晶、结晶两相电阻对比度的同时能保持非晶-结晶转变特性。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高性能锗锑碲相变薄膜材料，所述锗锑碲薄膜相变材料通过掺杂氮元素来改性，所述氮元素掺杂含量为5.84-10.90％。

进一步地，所述锗锑碲薄膜相变材料通过掺杂氮元素来改性，所述氮元素掺杂含量为10.04-10.90％。

其中，上述高性能锗锑碲相变薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将基片按照顺序分别在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗后，烘干待用；

(2)在磁控溅射镀膜系统中，将步骤(1)准备好的基片放置在基托上，将Ge₂Sb₂Te₅合金靶材安装在磁控射频溅射靶中，并将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室抽真空至4×10^-4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯Ar和高纯N₂直至溅射腔室内气压达到0.5Pa；

(3)溅射时控制靶基距为固定值55mm，溅射温度为室温，溅射时背底压强为4×10^-4Pa，工作压强为0.5Pa，偏压为0V，溅射功率为60W，溅射保护气体为Ar，溅射气体为N₂，溅射时控制N₂流量占N₂和Ar总流量的百分数，溅射结束后得到掺杂氮元素的Ge₂Sb₂Te₅样品。

进一步地，所述步骤(1)中的基片为双面抛Si(001)片。

进一步地，所述步骤(2)中的N₂和Ar体积百分比纯度均达到99.99％。

进一步地，所述步骤(3)中的溅射时长为25min。