[發明專利]一種石墨烯-相變材料結構、存儲器單元及其制備方法

在審

• 申請號: 202010061426.3
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111725396A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 宋志棠;宋文雄;趙進;吳天如
• 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;H01L27/24
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本發明涉及半導體器件領域，本發明公開了一種石墨烯?相變材料結構，其包括相變材料層和石墨烯層，該石墨烯層設于該相變材料層的頂部或者底部。本發明提供的相變材料結構具有不易擴散和熱穩定性好的特點。

技術領域

本發明涉及半導體器件領域，特別涉及一種石墨烯-相變材料結構、存儲器單元及其制備方法。

背景技術

相變存儲器由于具有非易失性、可微縮性、高速、高循環壽命、多級存儲以及與(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝兼容等優點，被認為是最有希望替代FLASH(閃存)和DRAM(Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取存儲器)的下一代非易失存儲器。相變存儲器是以硫系化合物為存儲介質，利用電脈沖信號使材料在晶態與非晶態之間相互轉換，而這兩種狀態有著明顯的電阻差異,從而實現信息的存儲。為了實現非晶態到晶態的轉變，需要對相變材料施加一個弱而寬的電脈沖進行加熱，當材料的溫度高于結晶溫度而又低于熔化溫度時，相變材料就會結晶，從而形成具有較低電阻率的晶態；而為了實現非晶化，則需要施加一個強而窄的電脈沖進行加熱，使得材料的溫度高于其熔化溫度將其熔化，隨后經過一個快速冷卻的淬火過程，形成短程有序長程無序的非晶態。

然而目前為止，相變存儲器中自身存在一些問題，嚴重影響了相變存儲器的性能。相變存儲器是在兩電極加上電場，使得中間層產生的焦耳熱對相變薄膜進行加熱，在非晶化過程中更是需要將相變薄膜熔化。在可逆操作過程中，相變材料中陰陽離子會向兩極定向擴散。元素的相互擴散、偏析將會引起相變材料組分不穩定，縮短器件壽命。

發明內容

本發明要解決的是相變材料結構中的原子易擴散和熱穩定性差的技術問題。

為解決上述技術問題，本申請在第一方面公開了一種石墨烯-相變材料結構，其包括：

相變材料層；

石墨烯層，該石墨烯層設于該相變材料層的頂部或者底部。

可選地，該相變材料包括鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)材料。

可選地，該相變材料層的厚度范圍為1納米～20納米，和/或，該石墨烯層的厚度范圍為1納米～30納米。

可選地，包括至少兩層該相變材料層和至少一層該石墨烯層；

鄰近的該至少兩層該相變材料層之間設有一層該至少一層石墨烯層。

本申請在第二方面公開了一種石墨烯-相變材料結構的制備方法，其包括以下步驟：

制備相變材料層；

在該相變材料層的表面制備石墨烯層。

可選地，通過磁控濺射法、化學氣相沉積法、原子層沉積法或者電子束蒸鍍法制備該相變材料層；

采用有機氣體高溫分解催化方法制備該石墨烯層。

本申請在第三方面公開了一種存儲器單元，其包括第一電極層、第二電極層和上述的石墨烯-相變材料結構；

該石墨烯-相變材料結構層位于該第一電極層的頂部；

該第二電極層位于該石墨烯-相變材料結構的頂部。

可選地，該第一電極層與該石墨烯-相變材料結構層之間設有粘合層，或，該第二電極層與該石墨烯-相變材料結構層之間設有粘合層。

本申請在第四方面公開了一種存儲器單元的制備方法，其包括以下步驟：

制備第一電極層；

在該第一電極層的頂表面制備石墨烯-相變材料結構層；

在該石墨烯-相變材料結構層的表面制備第二電極層。