Способ получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти

Изобретение относится к способу получения тонких пленок, в частности к получению аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти, и может быть использовано в качестве рабочего слоя в приборах записи информации. Осуществляют нанесение слоя халькогенидного материала системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge-Sb-Те методом вакуумно-термического испарения взрывного типа. В качестве халькогенидного материала используют смесь стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 при соотношении 1:1, механически активированную перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала. Перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала в предварительно откаченную до давления 3,5⋅10-6 Па вакуумную камеру помещают обезжиренную, подвергнутую термическому окислению со сформированным подслоем оксида кремния кремниевую подложку, затем на поверхность подслоя оксида кремния методом вакуумно-термического испарения наносят нижний алюминиевый слой. Нанесение слоя указанного халькогенидного материала методом вакуумно-термического испарения взрывного типа проводят при давлении в рабочем объеме 10-6 Па, температуре подложки 30°С, температуре испарителя 600°С и скорости испарения шихты 1-2 нм/с. Обеспечивается разработка экономичного способа получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te, обладающих повышенной стабильностью характеристик, информационным быстродействием и невысокой потребляемой мощностью. 1 пр.

 

Изобретение относится к способу получения тонких пленок, в частности к получению аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников, и может быть использовано в качестве рабочих слоев в приборах записи информации.

Целенаправленно изменять электрофизические и температурные характеристики полупроводниковых пленок возможно за счет легирования и модификации структуры легирующими примесями (азота, кислорода, алюминия, кремния, титана, кобальта, серебра, висмута, цинка, индия). Наиболее распространенным способом получения аморфных тонких пленок материалов системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge-Sb-Te, легированных примесями алюминия, является высокочастотное магнетронное распыление [патент Китай CN 101109056 В]. Данный способ позволяет с высокой воспроизводимостью получать тонкие пленки Alx(Ge2Sb2Te5)100-x (0<х<5), используя метод совместного напыления из двух мишений - стекла и металла. Недостатком этого способа получения халькогенидных стеклообразных полупроводниковых пленок является низкая скорость получения пленок и необходимость дополнительного отжига пленочных структур в диапазоне от комнатной температуры до 400°С при скорости нагрева (40-50)°С/мин.

Известен способ получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников [патент США 8500963 В2], в котором методом магнетронного ВЧ напыления в аргоновой плазме ведется осаждение пленок Ge2Sb2Te5 (GST225), стабильность характеристик которых достигается в результате напыления подслоя из проводящего и кристаллографически совместимого материала, например алюминия. Недостатком этого способа можно считать низкую скорость напыления, жесткий контроль за температурным режимом получением пленок Ge2Sb2Te5 (GST225) необходимой структуры (аморфной или кристаллической). Из-за длительного напыления и разогрева подложки чаще формируются пленки кристаллической структуры. Таким образом, магнетронное распыление является значительно менее оперативным и более дорогостоящим процессом по сравнению с вакуумно-термическим испарением. Дороговизна процесса в первую очередь связана с энергоемкостью процесса, а также необходимостью изготовления мишени (формирование матриц для прессования, синтезирование большого количества дорогостоящего материала и т.д.) под каждый исследуемый состав.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников на примере модельного состава теллурида германия и сурьмы Ge2Sb2Te5 (GST225), включающий метод вакуумно-термического испарения форсированного («взрывного») типа [M. Hemanadhan, Ch. Bapanayya, S.C. Agarwal "Simple flash evaporator for making thin films of compounds", J. Vac. Sci. Technol. А28., 625 (2010)]. Для сохранения стехиометрического состава полученных Ge2Sb2Te5 пленок было предложено использовать температуру испарителя ~1000°С. В пределах каждого слоя наблюдается неоднородный состав (вследствие фракционирования сплава), однако уже в процессе нанесения взаимной диффузией атомов составляющих компонентов выравнивается концентрация каждого из них по толщине пленки. Показано, что использование «взрывного» типа вакуумно-термического испарения позволило устранить проблемы в отклонении состава осаждаемой пленки Ge2Sb2Te5 от состава испаряемого материала и синтезированные пленки обладали электропроводностью на порядок ниже по сравнению с пленками, полученными обычным способом вакуумно-термического испарения при прочих равных условиях. Недостатками известного способа получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников является энергоемкость процесса, а именно использование высоких температур испарителя (~1000°С), которое может приводить к увеличению температуры подложки и может оказывать влияние на степень фазовой и структурной неравномерности. Этот факт способен оказать влияние на электрофизические свойства пленок Ge2Sb2Te5 (низкое информационное быстродействие, высокая потребляемая мощность из-за изменения кинетики фазового перехода).

В связи с вышесказанным, с целью минимизации времени подготовки образцов и экономических затрат при проведении исследований и оптимизации характеристик за счет вариации состава на стадии разработки и оптимизации технологии устройств фазовой памяти был использован метод вакуумно-термического испарения форсированного («взрывного») типа. Задачей предлагаемого изобретения является разработка экономичного способа получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te, обладающих повышенной стабильностью характеристик, информационным быстродействием и невысокой потребляемой мощностью.

Это достигается способом получения халькогенидных стеклообразных полупроводниковых пленок с эффектом фазовой памяти, включающим вакуумно-термическое испарение «взрывного» типа материалов системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge-Sb-Te, как перспективных материалов для ячеек фазовой памяти произвольного доступа, и их осаждение на диэлектрический слой в условиях вакуума (давление в камере не выше 10-6 Па), но в отличие от известного в качестве халькогенидного полупроводникового материала используют тройной состав компонентов, лежащих на линии квазибинарного разреза Sb2Te3 – GeTe, и представляющий собой смесь стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5, модифицированный подслоем алюминия, выполняющего роль нижнего электрода. Осаждаемый материал перед напылением проходит предварительную механическую активацию. Для получения состава пленок, соответствующего составу исходного сплава, применяют метод микродозирования (взрывное испарение). Сущность этого метода состоит в том, что из дозатора на ленточный разогретый испаритель дискретно сбрасываются небольшие порции порошка испаряемого сплава с размерами частиц 10-20 мкм. Испарение микродоз происходит практически мгновенно и полностью, в результате чего на подложке последовательно осаждаются очень тонкие слои. Достоинством его является также отсутствие загрязнений пленки материалом испарителя (малое время контакта микродозы сплава с испарителем). Полученные пленки были аморфными, с высокой величиной информационного быстродействия и сниженной величиной потребляемой мощности. Эти характеристики являются структурно-чувствительными параметрами.

По совокупности значимых свойств - времени фазового перехода, стабильности свойств, температурам кристаллизации и плавления, которые определяют необходимую мощность, величину тока программирования и вероятность спонтанной кристаллизации, количеству возможных циклов записи/стирания - наибольший интерес представляет соединение системы Ge - Sb - Те [Raoux S., Welnic W., Ielmini D. "Phase Change Materials and Their Application to Nonvolatile Memories"// Chem. Rev. - 2010, Vol. 110, p. 240-267]. Перспективным для управления электрофизическими и температурными свойствами материалов системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge - Sb - Те является использование кристаллографически подобного элемента (алюминия) с одним из основных компонентов, что должно обеспечить стабильность структуры ХСП и снизить напряжения в формируемой пленке.

Существенным фактом в предлагаемом способе является использование предварительной «механической обработкой» материала в магнитной мешалке, слабое магнитное поле которой способствует общему упорядочению структуры и образованию кластеров в аморфной матрице. В результате, число относительно больших кластеров возрастает, а вслед за этим увеличивается вероятность успешной нуклеации и роста кристаллических «зародышей» при подаче управляющего импульса [«РСМ-память на основе фазового перехода» в журнале Компоненты и технологии, №9, 2012].

Заявляемый способ получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников заключается в следующем. Обезжиренные образцы кремния с подслоем оксида помещают в вакуумную камеру, рабочий объем которой предварительно откачивают до давления Ρ ~3,5⋅10-6 Па. Шихта 2-3 г из смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 (1:1) механически активируется в магнитной мешалке типа в течение 5 минут. На поверхность оксида кремния методом вакуумно-термического испарения наносится нижний алюминиевый электрод, затем наносится слой кристаллографически совместимого материала смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 методом вакуумно-термического испарения взрывного типа при следующих параметрах технологического процесса: давление в рабочем объеме Ρ ~10-6 Па, температура подложки 30°С, испарителя 600°С, скорость испарения шихты 1-2 нм/с. Режимы напыления подбирались опытным путем таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную однородность пленки и требуемую толщину. Воспроизводимость состава контролировалась по соотношению [ХСП/[КС РЗЭ]. Аморфность структуры пленок контролируют методами электронной и рентгеновской дифракции. Толщину халькогенидных стеклообразных полупроводниковых пленок измеряют при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4 и она составляет от 0,1 до 0,3 мкм. Для определения химического состава полученных пленок применялся метод обратного резерфордовского рассеяния дейтронов (Ed=1,0 и Εα=2,7 МэВ при угле рассеяния 135°). Было установлено, что составы пленок близки к составам материала шихты. Измерение ΒΑΧ структур на постоянном напряжении проводилось при помощи двухэлектродной схемы на основе блока управления напряжением NI USB- 6008 и пико-амперметра KEITHLEY 6486. Напряжение на структуре изменялось от 0 до 10 В с шагом 0,1 В и скоростью 0,1 В/с до 10 В с шагом 0,1 В и скоростью 0,1 В/с. Исследование поведения тонких пленок ХСП смеси стехиометрических составов GST124 и GST225 при подаче прямоугольных импульсов напряжения проводилось на исследовательском комплексе, в состав которого входят генератор импульсов Г5-61 и цифровой запоминающий осциллограф LeCroy WaveRunner 44Xi с полосой пропускания 400 МГц. Падение напряжения на тонкой пленке GST225 наблюдалось через 130 нс с момента подачи импульса. Данное падение напряжения связано с переходом от высокоомного состояния (0,03 МОм) в низкоомное (0,2 кОм). Время перехода составляет 8 не, время нахождения в низкоомном состоянии ~400 нс. Повторное измерение показало, что тонкая пленка сохраняет низкоомное состояние, что подтверждает сохранение информации после снятия напряжения со структуры. Таким образом время записи логической «1» составляет 150 нс, что значительно меньше, чем время записи информации в флэш-памяти (~ 10000 нс).

Пример

Для получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5, модифицированных диффузным алюминием, используют шихту из смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 (1:1), механически активированную перед напылением. Пленки осаждают на кремниевой подложке КЭФ-4,5 с ориентацией (111), которая подвергалась химической обработке ΚΑΡΟ (H2SO4/H2O)+ПАР (NH4OH/H2O2/H2O) с последующим термическим окислением поверхности при температуре 1000°С. Толщина оксидного слоя подложки составляла 0,65 мкм. На поверхность сформированных структур через маску формировался нижний алюминиевый электрод, нанесенный методом вакуумно-термического испарения толщиной 0,7 мкм и площадью 10-2 см2, затем наносился слой кристаллографически совместимого материала смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 методом вакуумно-термического испарения взрывного типа при следующих параметрах технологического процесса: давление в рабочем объеме Ρ ~3,5⋅10-6 Па, температура подложки 30°С, испарителя 600°С, скорость испарения шихты 2 нм/с. При этом получают аморфную пленку халькогенидных стеклообразных полупроводников смеси GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 толщиной 300 нм, модифицированную диффузным алюминием. Введение небольшого количества алюминия в материал GST(124+225) оказывает существенное влияние на температуру фазового перехода тонких пленок из аморфного состояния в кристаллическое. Температура начала кристаллизации нелегированного состава GST(124+225) составляла 133°С. Информационное быстро-действие оценивалось по времени переключения из высокоомного состояния в низкоомное и составляло 200 нс. Температура кристаллизации пленок составляла 129°С, пороговое значение напряжения составляло 3,8 В.

Данным способом получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников смеси стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5, модифицированных диффузным алюминием, путем изменения условий испарения и конденсации атомов на подложку, а также легированием состава пленок достигнут желаемый результат - получены халькогенидные стеклообразные полупроводниковые пленки с эффектом фазовой памяти с минимальными значениями порогового переключения и температуры плавления, что обеспечивает низкое энергопотребление при проведении операций записи/перезаписи информации. Повышенное информационное быстродействие достигается за счет стабильности и воспроизводимости электрофизических свойств пленок.

Способ получения аморфной пленки из халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти, включающий нанесение слоя халькогенидного материала системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge-Sb-Те методом вакуумно-термического испарения взрывного типа, отличающийся тем, что в качестве халькогенидного материала используют смесь стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 при соотношении 1:1, механически активированную перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала, при этом перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала в предварительно откаченную до давления 3,5⋅10-6 Па вакуумную камеру помещают обезжиренную, подвергнутую термическому окислению со сформированным подслоем оксида кремния кремниевую подложку, затем на поверхность подслоя оксида кремния методом вакуумно-термического испарения наносят нижний алюминиевый слой, а нанесение слоя указанного халькогенидного материала методом вакуумно-термического испарения взрывного типа проводят при давлении в рабочем объеме 10-6 Па, температуре подложки 30°С, температуре испарителя 600°С и скорости испарения шихты 1-2 нм/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей.
Изобретение относится к способу получения тонких аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти и может быть использовано в качестве рабочего слоя в устройстве энергонезависимой фазовой памяти для электронной техники.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.

Изобретение относится к сублимационному выращиванию эпитаксиальных массивов самоорганизованных монокристаллических наноостровков кремния на сапфировых подложках и может быть использовано в качестве нанотехнологического процесса, характеризующегося повышенной стабильностью формирования однородных по размерам наноостровков кремния с пониженной степью дефектности их структуры.

Изобретение относится к области технологий осаждения полупроводниковых наночастиц халькогенидов свинца на прозрачные диэлектрические поверхности и может быть использовано при получении новых устройств на основе наносистем для микро- и оптоэлектроники, солнечных батарей, светодиодных ламп и других областей полупроводниковой техники.

Изобретение относится к технологии эпитаксии кремний-германиевой гетероструктуры, основанной на сочетании сублимации кремния с поверхности источника кремния, разогретого электрическим током, и осаждения германия из германа в одной вакуумной камере, и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения слоев карбида кремния при изготовлении микроэлектромеханических устройств, фотопреобразователей с широкозонным окном 3С-SiC, ИК-микроизлучателей.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов. Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, осуществляется в газопроницаемой камере, размещенной в реакторе, в который подают смесь газов, включающую оксид углерода и кремнийсодержащий газ, при этом давление в реакторе 20-600 Па, температура 950-1400°C.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых структур для приборов электронной техники. Изобретение обеспечивает возможность прецизионного варьирования в широких пределах концентрацией легирующей примеси в выращиваемой структуре путем изменения температуры и агрегатного состояния источника примеси из напыляемого легированного материала.

Изобретение относится к технологии получения массивов наноколец различных материалов, используемых в микро- и наноэлектронике. Сущность изобретения: в способе получения массивов наноколец, включающем подложку с нанесенными полистирольными сферами, с нанесенным затем слоем металла и последующим травлением, в качестве подложки используют упорядоченные пористые пленки, а расположение наноколец задается расположением пор в пленочном материале с использованием подходов самоорганизации.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида ниобия, титана и алюминия при их соотношении, ат.%: ниобий 64,6, титан 27,6, алюминий 7,8.

Изобретение относится к способу получения многослойного износостойкого покрытия для режущего инструмента и может быть использовано в металлообработке. Проводят ионно-плазменное нанесение слоев покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана, промежуточного слоя - нитрида соединения титана и хрома при соотношении, мас.%: титан 83,5-86,5, хром 13,5-16,5 и верхнего слоя - нитрида соединения титана, хрома и молибдена при соотношении, мас.%: титан 83,5-87,0, хром 9,0-11,0, молибден 4,0-5,5.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Настоящее изобретение относится к покрытию из (Al,Ti)N, подложке с данным покрытием и к способу нанесения упомянутого покрытия методом физического осаждения из газовой фазы (PVD) и может быть использовано для покрытия деталей машин и инструментов.

Изобретение относится режущему инструменту с износостойким многослойным покрытием для механической обработки металлов со снятием стружки и способу изготовления упомянутого режущего инструмента.

Изобретение относится к области формирования покрытий на основе углерода на медных подложках и может быть использовано для получения защитного покрытия на внутренней рабочей поверхности медных анодов мощных генераторных ламп цилиндрической формы и анодных блоков магнетронов.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Вакуумно-плазменным методом наносят многослойное покрытие, при этом сначала наносят нижний слой из нитрида ниобия, затем верхний слой из нитрида соединения титана, циркония и молибдена при их соотношении, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент, и может быть использовано в металлообработке.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент, и может быть использовано в металлообработке.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям для компонентов газовой турбины. Защитное покрытие компонента газовой турбины содержит, вес.%: Со 15-39, Cr 10-25, Al 5-15, Y 0,05-1, Fe 0,5-10, Mo 0,05-2, никель и примеси - остальное. Защитное покрытие характеризуется высокой стойкостью к окислению и коррозии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу получения тонких пленок, в частности к получению аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти, и может быть использовано в качестве рабочего слоя в приборах записи информации. Осуществляют нанесение слоя халькогенидного материала системы тройных теллуридов германия и сурьмы Ge-Sb-Те методом вакуумно-термического испарения взрывного типа. В качестве халькогенидного материала используют смесь стехиометрических составов GeSb2Te4 и Ge2Sb2Te5 при соотношении 1:1, механически активированную перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала. Перед нанесением слоя указанного халькогенидного материала в предварительно откаченную до давления 3,5⋅10-6 Па вакуумную камеру помещают обезжиренную, подвергнутую термическому окислению со сформированным подслоем оксида кремния кремниевую подложку, затем на поверхность подслоя оксида кремния методом вакуумно-термического испарения наносят нижний алюминиевый слой. Нанесение слоя указанного халькогенидного материала методом вакуумно-термического испарения взрывного типа проводят при давлении в рабочем объеме 10-6 Па, температуре подложки 30°С, температуре испарителя 600°С и скорости испарения шихты 1-2 нмс. Обеспечивается разработка экономичного способа получения аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te, обладающих повышенной стабильностью характеристик, информационным быстродействием и невысокой потребляемой мощностью. 1 пр.

Наверх