低功耗相變存儲單元及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種低功耗的相變存儲單元及其制備方法，所述相變存儲單元包括上下兩個電極，該上下兩個電極中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。本發明專利技術還提供了制作低功耗相變存儲器的方法，本發明專利技術所制作的相變存儲器有效地將焦耳熱抑制在相變材料區域，提高了加熱效率，降低了器件功耗。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微電子
，涉及一種微電子
的相變存儲單元及其制備方法，尤其涉及一種。
技術介紹
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
需要解決的問題。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術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，本專利技術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。本專利技術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I)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。本專利技術的相變存儲單元，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I為本專利技術的下電極為多層的相變存儲單元的示意圖。圖2a_2b為本專利技術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為本專利技術的上電極為多層的相變存儲單元的示意圖。圖4a_4c為為本專利技術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為本專利技術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為本專利技術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為本專利技術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I、11襯底2、12介質層3、16多層結構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相變存儲單元具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本專利技術的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本專利技術的其他優點與功效。本專利技術還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本專利技術的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖7所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本專利技術的基本構想，遂圖式中僅顯示與本專利技術中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。本專利技術的相變存儲單元，自下向上包括半導體襯底，介質層，相變材料層及與相變材料層接觸的上下電極。所述半導體襯底包括Si、SiC或SOI。所述相變存儲單元的上下電極至少一個是由多層電極材料構成的多層結構；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成類超晶格的多層結構；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,多層結構總厚度為30 500nm。所述相變存儲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合相變材料。所述介質層的材料為Si3N4或SiO2。本專利技術還提供一種制備低功耗相變存儲器的方法，包括以下步驟(I)在沉積介質層的半導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)繼續沉積介質層，采用拋光工藝將下電極上方的介質去除并露出下電極；(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單元。其中，所述的上電極或下電極至少有一電極是多層結構。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成類超晶格的多層結構。其中，采用磁控濺射法、化學氣相沉積法或ALD來制備介質層、相變材料層及多層電極。刻蝕采用反應離子堆刻蝕。下面以TiN與W形成類超晶格TiN/W多層電極為例來闡述本專利技術，但本專利技術絕非僅局限于該實施例。實施例I請參閱圖I所示,一種低功耗的相變存儲單元10,該相變存儲單元包括襯底I,位于襯底I上的第一介質層2、位于該第一介質層2上的下電極3、包裹該下電極的第二介質層4、位于該下電極3和第二介質層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。在本實施例中，所述下電極3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，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、第二介質層選自Si3N4或Si02。上述結構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…”的多層電極結構，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500本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，其特征在于：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。

【技術特征摘要】
1.一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，其特征在于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。2.根據權利要求I所述的低功耗的相變存儲單元，其特征在于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。3.根據權利要求I所述的低功耗的相變存儲單元，其特征在于所述導電材料選自TiN, Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、Tiff, HfN, WN、TaN 及 AlN 中的任意兩種。4.根據權利要求I所述的低功耗相變存儲單元，其特征在于所述多層結構的厚度為30 500nm。5.根據權利要求I所述的低功耗的相變存儲單元，其特征在于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。6.一種制備低功耗相變存儲單元的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)提供一半導體襯底后沉積絕緣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：