本發(fā)明涉及相變存儲材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對各種便攜式電子產(chǎn)品持續(xù)增長的市場需求不斷擴(kuò)大，并且對存儲器容量和速度等各個方面的要求也越來越高。目前非易失存儲器市場的主流是閃存，由于閃存自身存在的一些不足，如較長的寫入時間（>10μs）和較低的循環(huán)次數(shù)（~10⁶），很難滿足未來半導(dǎo)體存儲器發(fā)展對更高擦寫速度和存儲密度的要求。同時由于電荷存儲的基本要求，浮柵不能無限制地減薄，很難突破20nm半導(dǎo)體制程的技術(shù)瓶頸。pcram（相變存儲技術(shù)）是近年才興起的一種新型存儲技術(shù)，它利用相變薄膜材料在光電脈沖作用下實(shí)現(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)之間可逆相變來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。因為不僅滿足非易失存儲器的各種要求且制作工藝也相對簡單，引起了業(yè)界和科學(xué)界的關(guān)注。目前基于硫系化合物的pcram被認(rèn)為是最具前景的非易失存儲器，最有希望成為下一代主流存儲器。其對相變存儲材料有著獨(dú)特的性能要求，目前應(yīng)用于相變存儲器中作為相變介質(zhì)層的主要組分是ge2sb2te5（gst）。gst薄膜具有獨(dú)特的相變過程，可以將過程分為兩步：(1)在200℃左右，從非晶態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶到亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)，(2)在320℃左右，從fcc繼續(xù)轉(zhuǎn)變到六方密堆結(jié)構(gòu)（hex）。而在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)的gst材料存在以下缺點(diǎn)，如由于gst在相變時經(jīng)歷了三個結(jié)構(gòu)變化過程，結(jié)晶速度較慢，一般為幾百ns，影響到擦寫速度和器件的可靠性。gst的結(jié)晶溫度較低（約168℃），晶態(tài)電阻較低，會引起以傳統(tǒng)gst材料為存儲介質(zhì)的pcram存儲單元的功耗較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有單一均相，較高的結(jié)晶溫度，較高的晶態(tài)電阻，較大的非晶態(tài)/晶態(tài)電阻比，熱穩(wěn)定性好以及低功耗的用于相變存儲器的稀土er摻雜ge2sb2te5薄膜材料及其制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(er)x(ge2sb2te5)100-x，其中0<x≤1.4。

所述的相變存儲薄膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(er)1.4(ge2sb2te5)98.6。

所述的(er)x(ge2sb2te5)100-x相變存儲薄膜材料由ge2sb2te5合金靶和er單質(zhì)靶在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中通過雙靶共濺射獲得。

上述稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料的制備方法，采用雙靶共濺射方法獲得，具體步驟如下：在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中，采用石英片或氧化硅片為襯底，將稀土er靶材安裝在磁控直流濺射靶中，將ge2sb2te5靶材安裝在磁控射頻濺射靶中，將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空直至室內(nèi)真空度達(dá)到2.0×10^-4pa，然后向濺射腔室內(nèi)通入體積流量為50ml/min的高純氬氣直至濺射腔室內(nèi)氣壓達(dá)到濺射所需起輝氣壓0.2pa，然后控制er靶的濺射功率為0-4w，合金ge2sb2te5靶的濺射功率為70-78w，于室溫下濺射鍍膜，濺射200秒后，即得到沉積態(tài)的er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料；隨后放入快速退火爐中，在高純氬氣氛圍保護(hù)下，迅速升溫至200-350℃下進(jìn)行退火，即得到熱處理后的稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(er)x(ge2sb2te5)100-x，其中0<x≤1.4。

所述的相變存儲薄膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為(er)1.4(ge2sb2te5)98.6。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明一種用于相變存儲器的稀土er摻雜ge2sb2te5薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為erx(ge2sb2te5)100-x，其中0<x≤1.4。該薄膜的結(jié)晶溫度為168~183℃，晶態(tài)電阻(ea)為378~3727ω，非晶/晶態(tài)電阻比為1249-87646。隨著er摻雜含量的增加，樣品的結(jié)晶溫度和晶態(tài)電阻相對于未經(jīng)摻雜的ge2sb2te5薄膜均在增加，較高的結(jié)晶溫度使得該體系具有較好的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性，較高的晶態(tài)電阻率和較大的非晶態(tài)/晶態(tài)電阻之比，有利于降低器件功耗和提高開關(guān)比；隨著稀土er摻雜含量的增加，相變薄膜材料在相變過程中亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）轉(zhuǎn)化為六方密堆結(jié)構(gòu)（hex）這一過程被抑制，有效控制相分離，有助于器件穩(wěn)定性。

綜上所述，與傳統(tǒng)ge2sb2te5存儲材料相比，本發(fā)明提供的稀土er摻雜ge2sb2te5薄膜材料，通過在gst中引入稀土元素er，抑制gst在相變時從fcc結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閔ex結(jié)構(gòu)這一過程，提高其結(jié)晶速度以及相變時器件的穩(wěn)定性，同時提高gst相變材料的結(jié)晶溫度和晶態(tài)電阻，從而降低器件的功耗和提高器件的熱穩(wěn)定性；其具有單一均相，結(jié)晶溫度高，熱穩(wěn)定性好，晶態(tài)電阻大，電阻開關(guān)比大，通過er摻雜提升了傳統(tǒng)gst材料的性能，更好地適用于相變存儲器件中。

附圖說明

圖1為不同組分erx(ge2sb2te5)100-x薄膜方塊電阻隨溫度變化關(guān)系曲線；

圖2為不同組分erx(ge2sb2te5)100-x薄膜晶態(tài)電阻和非晶/晶態(tài)電阻比隨er含量變化關(guān)系；

圖3為er0.4(ge2sb2te5)99.6薄膜樣品在不同退火溫度下的x射線衍射圖；

圖4為er0.7(ge2sb2te5)99.3薄膜樣品在不同退火溫度下的x射線衍射圖；

圖5為er1.4(ge2sb2te5)98.6薄膜樣品在不同退火溫度下的x射線衍射圖；

圖6為er摻雜高于1.4at%的erx(ge2sb2te5)100-x薄膜方塊電阻隨溫度變化關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一、具體實(shí)施例

實(shí)施例1

本發(fā)明一種稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為erx(ge2sb2te5)100-x，其中x=0.4，其具體制備過程如下：

1、在磁控濺射鍍膜系統(tǒng)（jgp-450型）中，將er靶材安裝在磁控直流（dc）濺射靶中，將ge2sb2te5靶材安裝在磁控射頻（rf）濺射靶中，采用石英片或氧化硅片為襯底，將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的濺射腔室進(jìn)行抽真空處理直至室內(nèi)真空度達(dá)到2.0×10^-4pa，然后向濺射腔室內(nèi)通入體積流量為50ml/min（sccm標(biāo)況毫升每分）的高純氬氣直至濺射腔室內(nèi)氣壓達(dá)到濺射所需起輝氣壓0.2pa，然后控制er靶的濺射功率為4w，合金ge2sb2te5靶的濺射功率為78w，于室溫下濺射鍍膜100nm，即得到沉積態(tài)的er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料。

2、將上述步驟1得到的沉積態(tài)的相變存儲薄膜樣品放入快速退火爐中，在高純氬氣氛圍保護(hù)下，迅速升溫至200-350℃下進(jìn)行退火，得到熱處理后的er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜材料。退火期間通入高純ar氣的作用是為了避免薄膜在高溫下發(fā)生氧化。

將制備的薄膜進(jìn)行原位電阻性能測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示，實(shí)施例1制備的薄膜的性能指標(biāo)如下：稀土er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜erx(ge2sb2te5)100-x中er含量為0.4at%，結(jié)晶溫度為176℃，350℃下晶態(tài)電阻為654ω，非晶/晶態(tài)電阻比為7118。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于，濺射過程中，控制er靶的濺射功率為4w，合金ge2sb2te5靶的濺射功率為75w，得到的er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜erx(ge2sb2te5)100-x中er含量為0.7at%。

將制備的薄膜進(jìn)行原位電阻測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示，實(shí)施例2制備的薄膜的性能指標(biāo)如下：結(jié)晶溫度為181℃，350℃下晶態(tài)電阻為975ω，非晶/晶態(tài)電阻比為16644。

實(shí)施例3

與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于，濺射過程中，控制er靶的濺射功率為4w，合金ge2sb2te5靶的濺射功率為70w，得到的er摻雜ge2sb2te5相變存儲薄膜erx(ge2sb2te5)100-x中er含量為1.4at%。

將制備的薄膜進(jìn)行原位電阻測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示，實(shí)施例2制備的薄膜的性能指標(biāo)如下：結(jié)晶溫度為183℃，350℃下晶態(tài)電阻為3727ω，非晶/晶態(tài)電阻比為40205。

二、對比試驗及結(jié)果分析

1、對照實(shí)驗

與實(shí)驗例1基本相同，其區(qū)別在于er靶的濺射功率為0w，合金ge2sb2te5靶的濺射功率為70w，濺射時間為200秒。所制備的薄膜組分er含量為0at%，將制備的薄膜進(jìn)行原位電阻性能測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示，從圖1和圖2中可看出對照試驗制備的薄膜性能指標(biāo)如下：結(jié)晶溫度為168℃，350℃下晶態(tài)電阻為378ω，非晶/晶態(tài)電阻比為87646。上述對照實(shí)驗與上述實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3的靶材濺射功率和er含量如表1所示。

表1不同條件制備下的ge2sb2te5相變存儲薄膜樣品及其中er的含量

2、結(jié)果分析

將實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和對照實(shí)驗中制備的薄膜進(jìn)行原位電阻性能測試，測試結(jié)果如圖1和圖2所示。由于薄膜的電阻在結(jié)晶溫度（）處急劇下降，從圖1中可以看出，傳統(tǒng)的ge2sb2te5薄膜具有兩次結(jié)晶現(xiàn)象，隨著稀土er含量的增加，薄膜在相變過程中亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）轉(zhuǎn)化為六方密堆結(jié)構(gòu)（hex）這一過程被抑制，析出了單一穩(wěn)定的晶相，材料的結(jié)晶溫度也明顯升高，說明材料的非晶熱穩(wěn)定性得到提高。由圖2可知，隨著er含量的增加，材料的晶態(tài)電阻逐漸增加，并在er含量增加為1.4at%時，晶態(tài)電阻迅速增加至3727ω，非晶態(tài)/晶態(tài)電阻比仍保持在10²以上。

圖3、圖4和圖5分別為不同組分er0.4(ge2sb2te5)99.6、er0.7(ge2sb2te5)99.3、er1.4(ge2sb2te5)98.6的薄膜樣品在不同溫度下退火后的x射線衍射圖。眾所周知，對照實(shí)驗制備的傳統(tǒng)ge2sb2te5薄膜從非晶態(tài)到多晶態(tài)的相變是一個兩步的結(jié)晶過程，即首先從非晶態(tài)變化到亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)（fcc），然后從fcc繼續(xù)變化到六方密堆結(jié)構(gòu)（hex）。而本專利在ge2sb2te5薄膜中引入稀土er后，薄膜的析晶溫度逐漸增加，隨著er含量從0.4到1.4at%，薄膜的析晶溫度從250℃增加到了300℃。在各個析晶的erx(ge2sb2te5)100-x薄膜中，僅亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）相析出，六方密堆結(jié)構(gòu)（hex）相被抑制。并且隨著er含量的增加，fcc析晶峰的強(qiáng)度有明顯的減弱，這說明er的摻雜抑制了gst的fcc到hex相轉(zhuǎn)變，且提高了erx(ge2sb2te5)100-x薄膜的析晶溫度，使得材料的熱穩(wěn)定性大大改善，這與圖1的結(jié)果相符。但是如果er含量（原子比）高于1.4at%,，會導(dǎo)致薄膜熔化而失去非晶到晶態(tài)快速相變能力，如圖6所示。由于薄膜受熱熔化，電阻探針接觸到了si襯底，因而電阻又隨溫度增加而逐漸增加。

綜上所述，本發(fā)明所述的一種稀土er摻雜相變存儲薄膜材料具有單一的均相，較高的結(jié)晶溫度，較高的晶態(tài)電阻，較大的電阻比，有望增加器件熱穩(wěn)定性，降低器件的功耗，且提高開關(guān)比。

這里的本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。在不脫離本發(fā)明的精神和本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式，結(jié)構(gòu)，布置，比例，以及其他基底、材料來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其他變形和改變。