[發明專利]具有類超晶格結構的相變存儲單元及其制備方法

無效

• 申請號: 201210300873.5
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102810636A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 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;B82Y10/00
• 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低功耗相變存儲單元及其制備方法，特別是涉及一種具有類超晶格結構的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較小，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具有類超晶格結構的相變存儲單元及其制備方法，用于解決現有技術中相變存儲單元表現出的熱穩定性和數據保持能力差、相變速度慢及操作電流大的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種具有類超晶格結構的相變存儲單元及其制備方法。本發明的類超晶格結構具有結晶溫度可調，相變速度快的特點。將本發明的類超晶格結構應用于相變存儲單元中，具有數據保持力強，擦寫操作速度快，功耗低的特點。

本發明采用如下技術方案，一種相變存儲單元，其包括相變材料層，所述相變材料層是由單層GaSb層與單層相變材料Sb₂Te₃層在納米級厚度單層周期交替生長而形成的類超晶格結構。

優選地，單層GaSb層的厚度范圍為2～8nm,單層相變材料Sb₂Te₃層的厚度范圍為3～12nm。

優選地，單層GaSb層的厚度為4nm，單層相變材料Sb₂Te₃層的厚度為6nm。

優選地，所述類超晶格結構的厚度范圍為50～150nm。

優選地，所述類超晶格結構的結晶溫度范圍為150～300°C。

優選地，所述類超晶格結構的熱導率比單層GaSb或Sb₂Te₃的熱導率小。

優選地，所述類超晶格結構在外部電或光脈沖作用下具有可逆相變特性。

優選地，所述類超晶格結構在電脈沖作用下至少存在兩個及其以上穩定的電阻態。

優選地，所述類超晶格結構在非晶態和晶態的電阻率之比至少為5。

本發明還提供一種相變存儲單元的制備方法，該方法包括以下步驟：

1）提供一半導體襯底后沉積第一介質層；

2）在該第一介質層上制備圓柱體下電極；

3）沉積第二介質層，然后將下電極上方的第二介質層去除；

4)依次制備相變材料層、加熱層以及上電極；

6）采用曝光-刻蝕工藝得到相變存儲單元；

其中，制備相變材料層時，采用單層GaSb與單層相變材料Sb₂Te₃在納米級厚度周期性交替生長形成類超晶格結構。

本發明的類超晶格GaSb/Sb₂Te₃薄膜應用于相變存儲器具有以下特點：