[发明专利]一种具有多级相变效应的单层锌-锡-锑薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有多级相变效应的单层锌‑锡‑锑薄膜及其制备方法和应用，该薄膜由Zn和SnSb₄两靶材，以SiO₂/Si(100)为衬底，在氩气环境下共溅射制得，通过控制Zn和SnSb₄靶材的溅射时间来调控Zn‑Sn‑Sn薄膜中掺Zn的含量，并且设定Zn的含量在40％‑50％之间，控制薄膜的总厚度为40nm‑60nm。与现有相变存储材料相比，单层锌‑锡‑锑新型相变存储材料PCRAM器件操作可以实现两次晶化(SET)过程，提升了薄膜单位面积的存储密度。

技术领域

本发明涉及微电子材料及其制备技术领域，尤其涉及一种具有多级相变效应的高存储密度单层Zn-Sn-Sb纳米薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着集成电路进口额的逐年递增，使得集成电路已经成为我国第一大进口商品，而存储器作为集成电路的核心部件，发挥着越来越重要的作用。其中，相变存储器因具有读取速度快、循环寿命长、存储密度大、功耗低及可嵌入功能强等优点，被视为最有希望的三大电阻转变材料之一(G.I.Meijer:Science,2008,p.1625)。

其中，Ge₂Sb₂Te₅(GST)表现出较好的综合性能，被广泛应用于相变存储领域。然而其较低的热稳定性、较慢的相转变速度以及较小的存储密度等缺点限制了其进一步的发展。为此，科研工作者在提高相变存储材料性能上付诸较大努力，并且在提高稳定性以及提升相转变速度上实现了较大的突破，如C.Peng等人开发的W-GeTe体系，相变温度(phasechange temperature,T_c)提升至300℃以上，对应的十年数据保持能力(ten-years dataretention,T_ten)为225℃(C.Peng,F.Rao,et al.Acta Materialia,2014,p 49)；M.Zhu等人(M.Zhu,M.Xia,et al.Nature Communications,2014,p 4086.)研发出的Ti-Sb₂Te₃体系以及F.Rao等人(F.Rao,K.Ding,et.al.Science,2014,p 204303)制备出的Sc-Sb₂Te₃体系的相转变速度可达到皮秒量级；然而在提升存储密度上却进度缓慢。

目前科研工作者主要通过制备成纳米复合多层薄膜的方式来实现多级相变效应，提升薄膜单位面积的存储密度，如GST与ZnSb制备成的纳米复合多层薄膜(Z.F.He,W.H.Wu,et al.Materials Letters,2016,p 399)、Ga₃₀Sb₇₀与SnSe₂纳米复合多层薄膜(X.Y.Feng,Y.F.Hu,et al.Journal of Applied Physics,2014,p 49)等。但与此同时，纳米复合多层薄膜膜间存在的晶格不匹配特性及较大应力等缺点严重制约了多层薄膜器件的可操作性。基于此，本发明采用原子掺杂的方式，促使单层薄膜能够实现多级相变效应，提升薄膜单位面积的存储密度。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术缺陷，提供一种具有多级相变效应的高存储密度单层Zn-Sn-Sb纳米薄膜材料及其制备方法和应用。该材料制备方法简单易操作，制备的材料随着晶化相的析出使得薄膜的电阻发生两次明显的变化，实现多级相变效应，证实本发明获得了具有高存储密度的Zn-Sn-Sb薄膜。

本发明主要在于通过控制Zn的掺杂含量，使得薄膜能够因形成SnSb相，其电阻实现第一次明显差异(第一次相变，140～160℃)，随后随着退火温度的进一步升高，因生成ZnSb相，电阻实现第二次明显变化(第二次相变，220～230℃)，最终使得Zn-Sn-Sb薄膜能够实现多级相变效应，充分说明本发明制备获得的材料能够提升薄膜单位面积的存储密度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：