摘 要

一直以来，计算机以及电子事业的重大革命性突破都伴随着存储技术的发展，直至现在，flash存储器，磁性存储器等存储技术已经逐渐成熟，，但存在某些方面的不足，而新兴的相变存储器可以改善相应的缺点并有潜力成为下一代功能优异的非易失性存储器，其中Sn-Se合金相变材料(如Sn₂Se₃、SnSe₂)表现出了极其优异的性能。

本次毕业设计在之前的相关研究基础上，使用磁控溅射仪，调节工艺，实现了两种方法制备Sn₂Se₃薄膜，一是使用共靶溅射，二是对靶基距参数的调控，在此基础上，使用共靶溅射对Sn₂Se₃进行了 Zn元素的掺杂，制备了不同浓度的掺Zn相变合金，并对掺杂样进行了EDS、SEM、XRD以及探针测试，分析了不同溅射参数对掺杂浓度的影响；得到了样品的表面的形貌图，分析了Zn元素对成膜质量的影响；并对微观结构做了初步检测；测量了样品的高低阻态，计算出开关比，总结了Zn元素对Sn₂Se₃相变合金的性能影响。

关键词：相变存储器；Sn-Se合金；磁控溅射；

Abstract

The revolution of computer or electrical science is always tightly connected with the development of memory technology. Nowadays, the storage technology like flash memory, magnetic memory and so on are gradually improved, but there are still disadvantages in some respect. Fortunately, the emerging phase change memory has the potential to avoid these shortages and is considered as one of the best candidates for the next generation of excellent non-volatile memory. Especially the Sn-Se alloy phase change material, such as Sn₂Se₃, SnSe₂, perform very well in memory technology domain.

Based on previous related research, we learned to use magnetron sputtering apparatus and successfully produce Sn₂Se₃ films by two different methods in this graduation design. One is co- target sputtering, another is the regulation for target-base distance parameter. Next, we produce Sn₂Se₃ films with different Zn doping concentrations by co- target sputtering, and do test for the doping samples like EDS, SEM, XRD and Electronic probe test. Based on the corresponding test, we analyze the influence of different sputtering parameters on doping concentration, obtain the surface topography of the sample, and discuss the effect of Zn on film formation quality. What’s more, the microstructure of the sample has been preliminarily examined, and the high and low resistance of the sample have been measured so that we calculate the switch ratio. Finally we summarized the effects of Zn on the properties of Sn₂Se₃ phase change alloys.

Keywords: Phase change memory; Sn-Se alloy; Magnetron sputtering

目 录

第1章绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 相变材料的发展历程 2

1.2.2 相变材料基本原理及特性 3

1.2.3 新型相变材料Sn-Se合金 5

1.3 主要研究内容及意义 5

1.3.1 研究目的及意义 5

1.3.2 主要研究内容 6

第2章 样品的制备与测试 7

2.1 实验仪器及原材料 7

2.2磁控溅射基本原理 8

2.3磁控溅射的分类 10

2.3.1 平衡磁控溅射 10

2.3.2 非平衡磁控溅射 10

2.3.3多靶非平衡磁控溅射 11

2.4 薄膜的制备流程 12

2.5 制备Sn₂Se₃相变合金的参数调节 14

2.6 薄膜性能测试 16

第3章 测试结果与性能研究 19

3.1 Sn₂Se₃合金纯样品的微结构 19

3.2 掺杂Zn元素的Sn₂Se₃的微结构和电学性能 21

3.3 Zn元素以及实验工艺对Sn₂Se₃相变合金性能的影响 26

第4章 总结与展望 28

参考文献 30

致 谢 33

第1章绪论

课题背景及研究意义

自20世纪四五十年代计算机的问世与发展以来，存储器成为了计算机中十分关键的结构，并且，存储技术的重大发展，都会对计算机事业造成十分重大的影响。同时，随着时代的发展，生产生活质量的提高对存储技术要求也不断提高。

在1965年，Gordon Moore提出了著名的Moore定理，每过大约18个月，传统电子存储器的存储能力会上升一倍，性能也会得到相应的提升，一直以来，存储器的发展总是符合Moore出的预言，单位体积的容量不断地增加，性能不断地提升，例如目前最为主流的flash存储器，，在目前的非易失性存储器市场的上占了最大的份额^[1][2]，技术也已经十分成熟，在很多方面的性能表现优异，比如存储密度大，保存稳定性较好等待。但同时，存储器的发展也已经到达了一个瓶颈期，由于仅仅只是采用电信号的方式来存储，必定会面临小型化极限的问题，flash存储器使用的就正是传统的浮栅型存储器结构，是以存储单元中电位的高低进行二进制数据“0”和“1”的存储，浮栅型结构将不能够仅通过无限缩小尺寸来顺应存储技术的发展。而且完成擦写信息的过程并不能对存储的最小单元进行擦写，需要对一整块区域（即一整页，page）进行擦写操作，由于其擦写操作的页的具体大小受限，flash存储器的写入时间相对较长（只可达到量级），更不能选择性擦除，可擦写的次数也是有限的（通常为次），故在读写速度提升方面收到了很大限制^[3]。