[發明專利]低功耗相變存儲單元及其制備方法

有效

• 申請號: 201210300829.4
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102779941A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 呂業剛;宋三年;宋志棠;吳良才;饒峰;劉波
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及一種微電子技術領域的相變存儲單元及其制備方法，尤其涉及一種低功耗相變存儲單元及其制備方法。

背景技術

與市場上主流的半導體存儲技術相比，相變存儲器具有很多優點，諸如高密度、低功耗、操作快、循環壽命長等，特別是在器件特征尺寸的微縮方面的優勢尤為突出。因此，相變存儲器被認為是下一代非揮發存儲技術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方面具有廣闊的商用前景。

相變存儲器以硫系化合物為存儲介質，在電脈沖下產生的焦耳熱使材料在晶態（低阻）與非晶態（高阻）之間相互轉化實現信息的寫入和擦除，信息的讀出是通過測量存儲器電阻值來實現的。當前相變存儲器存在的主要問題是寫電流過大。隨著器件尺寸的縮小，晶體管的驅動能力也隨之變小，難以滿足相變儲器的操作電流要求。

減小相變存儲器的擦寫操作電流通常有以下幾種方法：一是選用低熔點和低熱導率的相變材料。相變材料是相變存儲器的核心，選用低熔點和低熱導率的相變材料能夠顯著降低寫操作電流。二是采用納米復合相變材料。將相變材料與介質材料在納米尺度內復合形成納米復合材料。介質材料可以充當微加熱中心并有效利用熱量使相變材料發生相變，并且減少了有效編程體積，有助于減小擦寫操作電流。三是采用人工構造類超晶格的多層相變薄膜或納米線器件。四是優化器件結構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，將寫電流進一步減小，以便MOS管驅動兼容，仍然是相變存儲器發展必須面對的問題。

因而，如何提供一種寫操作電流小及功耗低的相變存儲器是當前技術領域需要解決的問題。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種用于低功耗相變存儲單元，用于解決現有技術中相變存儲材料表現出的寫操作電流大，功耗高的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種低功耗的相變存儲單元，該相變存儲單元包括上下兩個電極，所述上下兩個電極至少一個為由兩種不同導電材料以納米級厚度交替層狀生長而成的多層結構。

較佳地，上下兩個電極均為由兩種不同導電材料以納米級厚度交替層狀生長而成的多層結構。

較佳地，所述導電材料選自TiN、Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN及AlN中的任意兩種。

較佳地，所述多層結構的厚度為30～500nm。

較佳地，所述相變存儲器進一步包括位于下電極下方的介質材料層，所述介質材料為Si₃N₄層或SiO₂層。

本發明還提供一種制備低功耗相變存儲單元的方法，該方法包括以下步驟：

1）提供一半導體襯底后沉積絕緣層；

2）在該絕緣層上制備下電極；

3）沉積介質層，然后將下電極上方的介質層去除；

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單元；

其中，制備下電極或/和上電極時，采用兩種不同導電材料以納米級厚度交替層狀生長而成。

較佳的，采用磁控濺射法、化學氣相沉積法或ALD來制備介質層、相變材料層、上電極及下電極。

本發明的相變存儲單元，其特點是，所述的多層電極因為界面效應使得它的熱導率較小，這樣就更好地使相變材料聚熱，減小了向電極部分的熱擴散，提高了加熱效率。因為焦耳熱被充分用來加熱相變材料，以至于較短的脈沖就可以使相變材料達到相變的溫度點，這有利于降低“寫”操作電流和功耗。因此，與傳統的單層電極相變存儲器相比，所述的多層電極相變存儲器具有寫操作電流小、功耗低的特點。

附圖說明

圖1為本發明的下電極為多層的相變存儲單元的示意圖。

圖2a-2b為本發明的下電極為多層相變存儲單元部分制備步驟結構示意圖。

圖3為本發明的上電極為多層的相變存儲單元的示意圖。

圖4a-4c為為本發明的上電極為多層相變存儲單元部分制備步驟結構示意圖。

圖5為本發明的多層上電極相變存儲單元與傳統相變存儲單元在室溫下的電阻與電壓關系曲線。

圖6為本發明的多層上電極相變存儲單元與傳統相變存儲單元在120°C下的電阻與電壓關系曲線。

圖7為本發明的多層上電極相變存儲單元在120°C下的疲勞性能測試結果。

元件標號說明

1、11????????襯底

2、12????????介質層