杜玲玲，周细应，李晓，周文华，范志君

（上海工程技术大学，上海 201620）

近几十年来，相变存储器（PCM）由于生产成本低、操作速度快、非易失性、可循环性好等优异性能而备受关注[1]。然而，PCM 仍然存在运行速度和功耗等问题。其中，相变薄膜材料极大地影响着PCM 的性能。在众多的相变材料中，最具代表性的是形核主导的Ge2Sb2Te5（GST）材料，但GST 在高密度数字存储中商业应用的主要障碍是热稳定性差（结晶温度θc为165 ℃，十年数据保持力θten为85 ℃）[2]。此外，Te 元素熔点低，高温下容易挥发扩散，导致成分漂移，还会产生相偏析[3]。因此，环境友好无Te富Sb 的SixSb100–x相变薄膜材料被提出，其具有数据保持力良好、体积变化率较小、价格便宜等优势[4]。

SixSb100–x材料虽然结晶温度高，但是以形核主导结晶机制的相变薄膜，且基于SixSb100–x材料的器件抗疲劳特性不是很好[5]。为了在保持SixSb100–x材料优异的热稳定性的基础上，进一步提高其相变速度，需要选择一种合适的掺杂剂。研究表明，在Ge-Sb-Te 材料中掺杂Sn 元素，可以加速相变[6]。从键能的角度来看，键能的大小会影响结晶速率，键能越小，结晶速率越快[7]。又由于Si 的熔点较高，Sn 的熔点较低，因此Sn 可以用作掺杂改性剂来改善SixSb100–x相变薄膜材料的性能。通过分析，在SixSb100–x（x<20at%）材料退火结晶后，随着Si 含量的提高，Si 几乎不会改变Sb 金属的原有结构，而只是得到越来越弱的衍射峰强度和越来越大的半高宽，即Si 没有使Sb 晶体结构发生变化，而是明显减小了晶粒尺寸。最后，得出Si16Sb84薄膜具备较适合的结晶温度和热稳定性。为了进一步提高Si16Sb84相变薄膜材料的性能，本文选择了少量Sn（原子数分数小于10%）掺杂Si16Sb84材料，并使用X 射线能谱仪（EDS）、真空四探针测试系统（R-T）、X 射线衍射仪（XRD）和原子力显微镜（AFM）对其进行了系统的研究，分析了Sn 掺杂对SixSb100–x材料结晶温度、热稳定性、表面形貌和结晶行为的影响。

1 试验

以Sn、Si、Sb 三种纯度为99.999%的靶材，采用三靶共溅射的方式，在室温条件下沉积了未掺杂和不同含量Sn 掺杂的Si16Sb84材料。沉积时间设为4 min，厚度约为297 nm，如图1 所示。本底真空度小于4.0×10–4Pa，溅射气压为1.0 Pa，氩气流量为35 mL/min。Si 靶、Sb 靶的功率分别固定为50 W 和20 W，改变Sn 靶的直流功率，范围为8～12 W。衬底选用1.5 cm×1.5 cm 的聚丙烯、单晶硅片以及普通载玻片。……