專利名稱：低功耗相變存儲(chǔ)單元及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的相變存儲(chǔ)單元及其制備方法，尤其涉及一種低功耗相變存儲(chǔ)單元及其制備方法。
背景技術(shù)：
與市場(chǎng)上主流的半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)相比，相變存儲(chǔ)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如高密度、低功耗、操作快、循環(huán)壽命長等，特別是在器件特征尺寸的微縮方面的優(yōu)勢(shì)尤為突出。因此，相變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一，在高密度、高速、低壓、低功耗和嵌入式存儲(chǔ)方面具有廣闊的商用前景。
相變存儲(chǔ)器以硫系化合物為存儲(chǔ)介質(zhì)，在電脈沖下產(chǎn)生的焦耳熱使材料在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)信息的寫入和擦除，信息的讀出是通過測(cè)量存儲(chǔ)器電阻值來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前相變存儲(chǔ)器存在的主要問題是寫電流過大。隨著器件尺寸的縮小，晶體管的驅(qū)動(dòng)能力也隨之變小，難以滿足相變儲(chǔ)器的操作電流要求。減小相變存儲(chǔ)器的擦寫操作電流通常有以下幾種方法一是選用低熔點(diǎn)和低熱導(dǎo)率的相變材料。相變材料是相變存儲(chǔ)器的核心，選用低熔點(diǎn)和低熱導(dǎo)率的相變材料能夠顯著降低寫操作電流。二是采用納米復(fù)合相變材料。將相變材料與介質(zhì)材料在納米尺度內(nèi)復(fù)合形成納米復(fù)合材料。介質(zhì)材料可以充當(dāng)微加熱中心并有效利用熱量使相變材料發(fā)生相變，并且減少了有效編程體積，有助于減小擦寫操作電流。三是采用人工構(gòu)造類超晶格的多層相變薄膜或納米線器件。四是優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)減小相變材料與電極的接觸面積。然而，在高密度的大前提下，將寫電流進(jìn)一步減小，以便MOS管驅(qū)動(dòng)兼容，仍然是相變存儲(chǔ)器發(fā)展必須面對(duì)的問題。因而，如何提供一種寫操作電流小及功耗低的相變存儲(chǔ)器是當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于低功耗相變存儲(chǔ)單元，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中相變存儲(chǔ)材料表現(xiàn)出的寫操作電流大，功耗高的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元，該相變存儲(chǔ)單元包括上下兩個(gè)電極，所述上下兩個(gè)電極至少一個(gè)為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。較佳地，上下兩個(gè)電極均為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。較佳地，所述導(dǎo)電材料選自TiN、Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN 及 AlN 中
的任意兩種。較佳地,所述多層結(jié)構(gòu)的厚度為30 500nm。較佳地，所述相變存儲(chǔ)器進(jìn)一步包括位于下電極下方的介質(zhì)材料層，所述介質(zhì)材料為Si3N4層或SiO2層。本發(fā)明還提供一種制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，該方法包括以下步驟I)提供一半導(dǎo)體襯底后沉積絕緣層；2)在該絕緣層上制備下電極；
3)沉積介質(zhì)層，然后將下電極上方的介質(zhì)層去除；4)依次制備相變材料層和上電極5)采用曝光-刻蝕工藝得到相變存儲(chǔ)單元；其中，制備下電極或/和上電極時(shí)，采用兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成。較佳的，采用磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法或ALD來制備介質(zhì)層、相變材料層、上電極及下電極。本發(fā)明的相變存儲(chǔ)單元，其特點(diǎn)是，所述的多層電極因?yàn)榻缑嫘?yīng)使得它的熱導(dǎo)率較小，這樣就更好地使相變材料聚熱，減小了向電極部分的熱擴(kuò)散，提高了加熱效率。因?yàn)榻苟鸁岜怀浞钟脕砑訜嵯嘧儾牧?，以至于較短的脈沖就可以使相變材料達(dá)到相變的溫度點(diǎn)，這有利于降低“寫”操作電流和功耗。因此，與傳統(tǒng)的單層電極相變存儲(chǔ)器相比，所述的多層電極相變存儲(chǔ)器具有寫操作電流小、功耗低的特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的下電極為多層的相變存儲(chǔ)單元的示意圖。圖2a_2b為本發(fā)明的下電極為多層相變存儲(chǔ)單元部分制備步驟結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的上電極為多層的相變存儲(chǔ)單元的示意圖。圖4a_4c為為本發(fā)明的上電極為多層相變存儲(chǔ)單元部分制備步驟結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的多層上電極相變存儲(chǔ)單元與傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)單元在室溫下的電阻與電壓關(guān)系曲線。圖6為本發(fā)明的多層上電極相變存儲(chǔ)單元與傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)單元在120° C下的電阻與電壓關(guān)系曲線。圖7為本發(fā)明的多層上電極相變存儲(chǔ)單元在120° C下的疲勞性能測(cè)試結(jié)果。元件標(biāo)號(hào)說明I、11襯底2、12介質(zhì)層3、16多層結(jié)構(gòu)31,32下電極單層薄膜4、14絕緣層5、15相變材料層6過渡層7、17上電極13下電極161、162上電極單層薄膜10、100相變存儲(chǔ)單元
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱圖I至圖7所示。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明的相變存儲(chǔ)單元，自下向上包括半導(dǎo)體襯底，介質(zhì)層，相變材料層及與相變材料層接觸的上下電極。所述半導(dǎo)體襯底包括Si、SiC或SOI。所述相變存儲(chǔ)單元的上下電極至少一個(gè)是由多層電極材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)；所述 多層電極材料是由兩種不同的單層的電極材料以交替排列構(gòu)成類超晶格的多層結(jié)構(gòu)；該單層的電極材料選自TiN，Ti, Al, W，Ag, Au, Cu, Tiff, HfN, TaN，WN及AlN中的任意一種形成單層薄膜；所述單層薄膜的厚度大致為I IOnm,多層結(jié)構(gòu)總厚度為30 500nm。所述相變存儲(chǔ)單元的相變材料可以為具備相變特性的其他多層薄膜或納米復(fù)合相變材料。所述介質(zhì)層的材料為Si3N4或SiO2。本發(fā)明還提供一種制備低功耗相變存儲(chǔ)器的方法，包括以下步驟(I)在沉積介質(zhì)層的半導(dǎo)體襯底上制備下電極，采用曝光-刻蝕工藝得到圓柱形下電極；(2)繼續(xù)沉積介質(zhì)層，采用拋光工藝將下電極上方的介質(zhì)去除并露出下電極；(3)依次制備相變材料層和上電極；(4)采用曝光-刻蝕工藝得到相變存儲(chǔ)單元。其中，所述的上電極或下電極至少有一電極是多層結(jié)構(gòu)。所述多層電極材料是由兩種不同的單層的電極材料以交替排列構(gòu)成類超晶格的多層結(jié)構(gòu)。其中，采用磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法或ALD來制備介質(zhì)層、相變材料層及多層電極?？涛g采用反應(yīng)離子堆刻蝕。下面以TiN與W形成類超晶格TiN/W多層電極為例來闡述本發(fā)明，但本發(fā)明絕非僅局限于該實(shí)施例。實(shí)施例I請(qǐng)參閱圖I所示,一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元10,該相變存儲(chǔ)單元包括襯底I,位于襯底I上的第一介質(zhì)層2、位于該第一介質(zhì)層2上的下電極3、包裹該下電極的第二介質(zhì)層4、位于該下電極3和第二介質(zhì)層4上的相變材料層5、位于該相變材料層5上的過渡層6以及位于該過渡層6上的上電極7。在本實(shí)施例中，所述下電極3為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)，其包括第一單層薄膜31和相鄰的第二單層薄膜32。所述第一、第二介質(zhì)層選自Si3N4或Si02。上述結(jié)構(gòu)的制備方法如下步驟I :依次用丙酮和酒精超聲清洗Si (100)/SiO2襯底，并在80° C烘箱中烘干，在硅襯底上制備多層電極將W和TiN以5nm的單層厚度輪流交替沉積，形成“W/TiN/W/TiN…”的多層電極結(jié)構(gòu)，總厚度為600nm。如圖2a所示。步驟2 :利用曝光-刻蝕工藝在多層電極上刻蝕出直徑為190nm，高為500nm的圓柱形多層下電極，然后再沉積厚度為600nm的第二介質(zhì)層(作為絕緣層)Si02，利用拋光工藝將圓柱形多層電極上面的絕緣層去除。如圖2b所示。步驟3 :在上述步驟后獲得的結(jié)構(gòu)上利用磁控濺射制備相變層(GaSbTe)，將GaSb和Sb2Te3合金靶的射頻功率分別設(shè)為25和20瓦，Ar流量設(shè)為20SCCM，待本底真空低于3 X 10_4帕斯卡,開啟射頻電源，打開Ar進(jìn)氣閥門，打開GaSb和Sb2Te3合金祀祀蓋,派射7min后，關(guān)閉射頻電源和靶蓋，得到GaSbTe薄膜的厚度約為50nm。步驟4 :在上述步驟后獲得的結(jié)構(gòu)上沉積厚度約為20nm的TiN作為過渡層，利用曝光-刻蝕工藝得到平面尺寸為1000 X IOOOnm2的器件單元，再沉積Al電極，作為上電極，得到如圖I所示的結(jié)構(gòu)。 步驟5 :利用曝光-刻蝕工藝，去除相鄰器件單元之間的Al，得到可測(cè)試的相變存儲(chǔ)單元。實(shí)施例2請(qǐng)參閱圖3所示，一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元100，該相變存儲(chǔ)單元包括襯底11，位于襯底I上的第一介質(zhì)層12、位于該第一介質(zhì)層12上的下電極13、包裹該下電極13的第二介質(zhì)層14、位于該下電極13和第二介質(zhì)層14上的相變材料層15、位于該相變材料層15上的多層結(jié)構(gòu)16以及位于該多層結(jié)構(gòu)16上的上電極17。在本實(shí)施例中,所述多層結(jié)構(gòu)16為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。其包括第一單層薄膜161和相鄰的第二單層薄膜161。所述第一、第二介質(zhì)層選自Si3N4或Si02。上述結(jié)構(gòu)的制備方法如下步驟I :依次用丙酮和酒精超聲Si (100)/SiO2基底，并在80° C烘箱中烘干，在硅襯底上制備金屬電極(W),作為下電極,厚度為600nm。如圖4a所不。步驟2 :利用曝光-刻蝕工藝在多層電極上刻蝕出直徑為260nm，高為500nm的圓柱形下電極，然后再沉積厚度為600nm的絕緣層(SiO2)，利用拋光工藝將圓柱形電極上面的絕緣層去除。如圖4b所示。步驟3 :在上述步驟后獲得的結(jié)構(gòu)上利用磁控濺射制備相變層(GaSbTe)，將GaSb和Sb2Te3合金靶的射頻功率分別設(shè)為25和20瓦，Ar流量設(shè)為20SCCM，待本底真空低于3 X 10_4帕斯卡,開啟射頻電源，打開Ar進(jìn)氣閥門，打開GaSb和Sb2Te3合金祀祀蓋,派射7min后，關(guān)閉射頻電源和靶蓋，得到GaSbTe薄膜的厚度約為50nm。步驟4 :在上述步驟后獲得的結(jié)構(gòu)上制備多層電極結(jié)構(gòu)如圖4c所示，將TiN和W以5nm的單層厚度依次輪流交替沉積，形成“TiN/W/TiN/W…”的多層電極，總厚度為50nm。利用曝光-刻蝕工藝得到平面尺寸為1000X IOOOnm2的器件單元，再沉積Al電極，作為上電極。步驟5 :利用曝光-刻蝕工藝，去除相鄰器件單元之間的Al，得到可測(cè)試的相變存儲(chǔ)單元，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3本實(shí)施例和以上2個(gè)實(shí)施例的區(qū)別僅在于制備上下電極時(shí)，均制備成由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，對(duì)制備的多層相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估多層相變存儲(chǔ)單元的電性能。圖5是非多層電極與多層電極相變存儲(chǔ)單元的在20ns電脈沖下的電阻與電壓關(guān)系曲線。相變存儲(chǔ)器的功耗主要取決于寫操作所消耗的能量。由圖5可見，多層電極的寫操作電壓為2. 8V左右，明顯低于非多層電極的寫操作電壓3. 5V。這說明基于多層電極的相變存儲(chǔ)單元的功耗更低。圖6是制備的相變存儲(chǔ)單元在120° C的工作環(huán)境下的電阻與電壓關(guān)系曲線，施加的電脈沖寬度為50ns。由圖6可見，基于多層電極的相變存儲(chǔ)單元在高溫下的寫操作電壓仍然低于非多層電極的相變存儲(chǔ)單元，進(jìn)一步驗(yàn)證了多層電極相變存 儲(chǔ)器具有低功耗的特點(diǎn)。由于多層電極引入的界面較多，在高溫下，較大的界面應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致相變存儲(chǔ)單元失效。為考證它的穩(wěn)定性，將多層電極相變存儲(chǔ)單元在120° C的高溫工作環(huán)境下進(jìn)行了疲勞測(cè)試。圖7是多層電極相變存儲(chǔ)單元在120° C下的疲勞性能測(cè)試結(jié)果。在120° C下，多層電極相變存儲(chǔ)單元能夠反復(fù)擦寫近IO6次?？梢姸鄬咏缑娌粫?huì)影響到相變存儲(chǔ)單元的操作性能，這也說明多層電極相變存儲(chǔ)單元具有穩(wěn)定的電學(xué)操作性能。綜上所述，與傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)單元相比，本發(fā)明的多層電極相變存儲(chǔ)單元的寫操作電流更小，功耗更低。本發(fā)明提供的多層電極相變存儲(chǔ)單元的制備方法及工藝簡單，便于制作和大批量生產(chǎn)。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元，該相變存儲(chǔ)單元包括上下兩個(gè)電極，其特征在于所述上下兩個(gè)電極至少一個(gè)為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗的相變存儲(chǔ)單元，其特征在于上下兩個(gè)電極均為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗的相變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述導(dǎo)電材料選自TiN, Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、Tiff, HfN, WN、TaN 及 AlN 中的任意兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗相變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述多層結(jié)構(gòu)的厚度為30 500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗的相變存儲(chǔ)單元，其特征在于所述相變存儲(chǔ)器進(jìn)一步包括位于下電極下方的介質(zhì)材料層，所述介質(zhì)材料為Si3N4層或SiO2層。
6.一種制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)提供一半導(dǎo)體襯底后沉積絕緣層； 2)在該絕緣層上制備下電極； 3)沉積介質(zhì)層，然后將下電極上方的介質(zhì)層去除； 4)依次制備相變材料層和上電極 5)采用曝光-刻蝕工藝得到相變存儲(chǔ)單元； 其中，制備下電極或/和上電極時(shí)，采用兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，其特征在于所述導(dǎo)電材料選自 TiN, Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、Tiff, HfN, WN、TaN 及 AlN 中的任意兩種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，其特征在于所述下電極或下電極的厚度為30 500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，其特征在于所述介質(zhì)層的材料為Si3N4或Si02。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備低功耗相變存儲(chǔ)單元的方法，其特征在于，采用磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法或原子層沉積法ALD來制備介質(zhì)層、相變材料層、上電極及下電極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元及其制備方法，所述相變存儲(chǔ)單元包括上下兩個(gè)電極，該上下兩個(gè)電極中至少一個(gè)為由兩種不同導(dǎo)電材料以納米級(jí)厚度交替層狀生長而成的多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了制作低功耗相變存儲(chǔ)器的方法，本發(fā)明所制作的相變存儲(chǔ)器有效地將焦耳熱抑制在相變材料區(qū)域，提高了加熱效率，降低了器件功耗。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102779941SQ201210300829
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者劉波, 呂業(yè)剛, 吳良才, 宋三年, 宋志棠, 饒峰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所