PDF《ZnSb 掺杂的 Ge2 Sb2 Te5 薄膜的相变性能研究》

1 引言相变存储器 (PCM) 是Ovshinsky在20 世纪

60 年代末提出的一种存储技术 [1] , 其原理是相变材 料在不同的电脉冲或者光脉冲的作用下实现非 晶态 (reset) 和晶态 (set) 的转换, 利用非晶态和晶 态之间高、低电阻或反射率的差异来实现 '

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数据的存储. 与现有的闪存 (FLASH) 存储器相 比, PCM 器件单元具有尺寸等比例缩小的能力, 已证实相变材料在

10 nm 节点以下仍具有信息的 写入与擦除能力 [2] . 除此之外, PCM 还具有读写 速度快 (ns 量级)、循环次数高 (>

1012 )、与现有的 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconduc- tor) 工艺兼容、 能实现多位存储等优点 [1?5] . 由于 PCM 这些特点, 使其成为最有可能取代闪存而成 为新一代非易失性存储器. 目前, Ge2Sb2Te5(GST) 薄膜是应用最广泛的 相变存储材料 [6] , 但其仍存在一些不足之处, 如 结晶温度低 (?160 ? C), 十年数据保持温度只有 85―110 ? C, 晶态电阻低导致 Reset 操作功耗大 等[7,8] . 为此, 近年来研究人员在 GST 薄膜中不断 地引入其他单质元素如 N [9] , Al [10] , Zn [11] , Ti [12] , C [13] 和Sn [14] 等以期待改善 GST 的缺点而实现器 件性能的提升. 但是, 材料自身的热稳定性和晶化 速度互为制约关系, 例如研究发现随着单质 C 的引 入, GST 结晶温度增加至

200 ? C, 提高了薄膜热稳 定性, 但同时又抑制了晶化速度 [13] . 此外, 引入较 ? 国家自然科学基金 (批准号: 61377061, 61306147)、 浙江省公益技术研究工业项目 (批准号: 2014C31146)、 浙江省中青年学科 带头人学术攀登项目 (批准号: pd2013092) 和宁波大学王宽诚幸福基金资助和浙江省自然科学基金 (批准号: LQ15F040002) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 176802-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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176802 弱的 Sn―Te 键有效地将 GST 薄膜晶化时间缩短 为60 ns, 但结晶温度却降低到

140 ? C 且数据保持 能力也在下降 [14] . 由此可以看出, 很难在 GST 薄 膜中通过掺杂单质材料达到同时优化结晶速度和 热稳定性的目的. 本论文中, 我们在 GST 薄膜中引入二元的 ZnSb 材料. 根据文献 [15] 报道, 在Zn―Sb 二元系 统中, 当原子比Zn : Sb =

1 :

1 时, ZnSb 具有较高 的结晶温度 (257 ? C), 较好十年数据保持温度 (201 ? C) 以及较快的结晶速度. ZnSb 材料中的 Sb 存在 有利于提高相变速率 [15] , 同时 Zn 的引入则可以提 高材料的热稳定性 [11] . 因此, 本文通过在 GST 中 引入ZnSb, 研究其微观结构、 析晶行为和电学特性, 探索其是否在提高 GST 相变材料热稳定性的同时 缩短晶化时间以达到俱佳效果.

2 实验采用双靶 (ZnSb 靶, Ge2Sb2Te5 靶) 共溅的方 法制备 ZnSb 掺杂的 GST 薄膜, 其化学结构式为 (ZnSb)x(Ge2Sb2Te5)1?x. 在磁控溅射镀膜系统 (沈阳科仪 JGP-450 型) 中, 将ZnSb 靶材安装在磁 控直流 (DC) 溅射靶中, 将Ge2Sb2Te5 靶材安装在 磁控射频 (RF) 溅射靶中, 采用石英片和氧化硅片 为衬底, 在室温下抽真空使溅射腔室内气压达到

2 * 10?4 Pa, 然后向溅射腔室内通入流量为50 ml/ min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需 起辉气压 0.3 Pa, 待靶材起辉后, 调节工作气压为 0.35 Pa, 然后分别控制 ZnSb 靶和 Ge2Sb2Te5 靶的 溅射功率预溅射