專利名稱：一種降低相變存儲器單元操作功耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子功能材料與器件領(lǐng)域，具體涉及一種采用稀土金屬氧化物CeO2薄 膜作為緩沖層以降低相變存儲器單元操作功耗的方法，該方法完全滿足硅集成工藝的技術(shù) 要求。
背景技術(shù)：
相變存儲器(PCM)主要是利用某些材料在特定的電流脈沖之下會具有快速且可 逆的相變化效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料在某些特性上的穩(wěn)定改變來達(dá)到存儲效果，此外其最終的 狀態(tài)并不會隨著外加能量的消失而改變，因此具有非揮發(fā)性的特點(diǎn)。PCM技術(shù)憑借其在讀取 速度、可靠度、非破壞性讀取、非揮發(fā)性、尺寸微小化以及成本方面的優(yōu)勢，已被公認(rèn)為最有 潛力取代傳統(tǒng)的DRAM技術(shù)及Flash閃存技術(shù)成為主流的存儲器技術(shù)之一。目前采用的最 為成熟的相變材料為Ge2Sb2I^5(GST)合金，最為常見的相變存儲器單元(PCM cell)結(jié)構(gòu)為 以W為加熱電極的T型結(jié)構(gòu)。但在傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)中，W電極直接與相變材料接觸，而W具 有很高的熱導(dǎo)率(174W/m· K)，如此高的熱導(dǎo)率一方面導(dǎo)致熱量大量向四周擴(kuò)散，熱能利用 率不高，S. M. Mdeghipour等人的計(jì)算發(fā)現(xiàn)真正用于相變的能量僅占總能量的0. 2 1. 4% (S. M. Sadeghipour, L. Pileggi, and Μ. Asheghi, Phase Change Random Access Memory, Thermal Analysis, The TenthIntersociety Conference on ITHERM(IEEE), NewYork, 2006,660-665)；另一方面電極與相變材料之間的界面處無法很好的聚集熱量，導(dǎo)致相變材 料中溫度最高的區(qū)域不是集中在界面處，而是處于電極的上端，這種加熱方式將會導(dǎo)致“晶 化走廊”的出現(xiàn)，為消除“晶化走廊”對整個(gè)器件RESET態(tài)電阻的影響，勢必要消耗額外的功
耗 ο隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對相變存儲器產(chǎn)品需求的日益增加，實(shí)現(xiàn)PCM cell與現(xiàn)有 CMOS工藝集成是非常關(guān)鍵的，因此，也就急需進(jìn)一步降低PCM cell的操作功耗。目前，降 低PCM cell的操作電流/電壓的主要方法有(1)改良器件結(jié)構(gòu)，減小相變材料與電極之 間的接觸面積；( 優(yōu)化相變薄膜層與電極的尺寸；C3)相變材料開發(fā)與摻雜改性，如降低 相變材料熔點(diǎn)或增加電阻提高自加熱能力從而降低操作電流；(4)植入其它材料的加熱介 質(zhì)輔助提高器件加熱效率，降低功耗。其中，在底W電極與相變材料之間植入薄薄的一層加 熱層以升高相變材料層中的溫度的方法具有制程簡便，可操作性強(qiáng)并且不需要改變傳統(tǒng)的 T型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。而目前對于加熱層材料的研究大量集中在一些金屬氧化物或氮氧化物上， 如文獻(xiàn) M.H.Jang et al. StructuralStability and Phase-Change Characteristics of Ge2Sb2Te5/Si02 Nano-Multilayered Films，Electrochemical and Solid-State Letters， 2009，12 (4)，H151-H154 公幵的 SiO2 ；文獻(xiàn) C. Xu，Ζ. Song，B. Liu, S. Feng，and B. Chen， Lower current operation of phase change memory cell with a thinTi02 layer,Appl. Phys. Lett. 2008，92，062103 公幵的 TiO2 ；文獻(xiàn) Y. Matsui et al. Ta2O5 InterfacialLayer between GST and W Plug enabling Low Power Operation of Phase Change Memories， Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2006，769-772 公幵的 T%05 ；文獻(xiàn) P. K. Wong,J. E. Evetts, and Μ. G. Blamire,High conductance magnetoresistive tunnel junctions with multiply oxidized barrier, J. Appl. Phys. 1998，83，6697-6699 公開的 Al2O3 ；文獻(xiàn) D. H. Kang et al.Voltage Operation ofa PhaseChange Memory Device with a ighly Resistive TiON Layer, Jpn. J. Appl. Phys. 2004, Part 2 (43)，5243-5244 公開的 TiON 等， 這些材料具有低的熱導(dǎo)率(l-2W/m · K量級)和較高的電阻率(0. 01-1 Ω · cm量級)，可以 有效地減少熱擴(kuò)散現(xiàn)象并提高產(chǎn)熱效率，但這些加熱層材料需要很好的控制厚度以防止被 擊穿而導(dǎo)致界面效應(yīng)失效。因此進(jìn)一步尋找新的加熱層材料體系以降低PCM cell的操作 功耗是十分必須的。通過選擇合適的加熱層材料來優(yōu)化PCM cell操作功耗是目前相變存儲器研究的 一個(gè)重要方面，目前已有大量關(guān)于采用金屬氧化物及氮氧化物材料的研究報(bào)道。然而，采用 稀土金屬氧化物材料，如( 的研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用稀土金屬氧化物( 作為 緩沖層降低相變存儲器單元操作功耗的方法，使其能夠在相變存儲器器件中得到實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)選用稀土金屬氧化物材料CeO2作為緩 沖層材料，制得相變存儲器器件比未采用緩沖層材料的器件操作電壓明顯降低，有效地降 低了整個(gè)器件的操作功耗，適用于相變存儲器器件中開發(fā)。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種降低相變存儲器單元操作功耗的方法，包括如下步驟(1)在Si02/Si基片上涂覆( 薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆有( 薄膜的Si02/Si基片退火處理，制得具有緩 沖層的Si02/Si基片；(3)在步驟O)中制備的具有緩沖層的Si02/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封 裝成相變存儲器器件。步驟(1)中所述( 薄膜厚度為5 lOnm，優(yōu)選為10nm。所述Si02/Si基片為經(jīng)過光刻工藝處理過的Si02/Si基片，涂覆CeO2薄膜的方法 為磁控濺射法，涂覆時(shí)濺射功率設(shè)為15 30W，優(yōu)選為20W。采用所述磁控濺射法涂覆( 薄膜時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比 為0. 1 1 1 3，優(yōu)選為1 3。所述Si02/Si基片涂覆( 薄膜后在氧氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為5 15min，優(yōu)選為lOmin，退火溫度為350 500°C，優(yōu)選為400°C。步驟(3)中涂覆的GST相變材料厚度為100 200nm，優(yōu)選為150nm。本發(fā)明利用稀土金屬氧化物材料CeO2作為緩沖層，制備的相變存儲器器件具有較 低的操作電壓，在電壓脈沖為3. 8V, IOns時(shí)仍然具有良好的相變效應(yīng)，得到一種具有新型 緩沖層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料體系。


圖1為含有( 緩沖層的相變存儲器器件、以及不含緩沖層的相變存儲器器件的
4Reset操作的存儲單元電阻隨操作電壓的變化曲線。圖2為含有( 緩沖層的相變存儲器器件、以及不含緩沖層的相變存儲器器件中 Set操作中電流隨電壓的變化曲線。圖3含有( 緩沖層的相變存儲器器件中Reset操作中不同脈寬的電壓脈沖下 存儲單元電阻隨操作電壓的變化曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1相變存儲器器件中采用( 作為緩沖層。a、采用磁控濺射法在經(jīng)過光刻工藝處理后的Si02/Si基片上制備厚度為IOnm的 CeO2薄膜，濺射功率為20W，濺射時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比為1 3。b、將制備好的( 薄膜在氧氣氣氛中退火處理lOmin，退火溫度為400°C，獲得最 終的緩沖層材料。C、在鍍有緩沖層材料的Si02/Si基片上，采用磁控濺射法制備了厚度為150nm的 GST相變材料，并封裝成相變存儲器器件。相變存儲器器件reset過程中的電阻-電壓及set過程中電流-電壓性能的測試 是采用Agilent-81104A脈沖信號發(fā)生器輸出特定的電壓脈沖，并使用Keithley-MOO數(shù) 字源表記錄電阻或電流的數(shù)值，來分別獲得電阻隨電壓的變化曲線及電流隨電壓的變化曲 線。圖1及圖2中所采用的電壓脈沖的脈寬均為50ns。由于在相變存儲器中，reset過程 中所需要的電壓脈沖要比set過程的高，并且在reset過程中需要消除“晶化走廊”的影響， 因此在降低功耗方面我們主要關(guān)注reset操作中電壓的降低。圖2表示的是器件在reset 操作過程中的電阻隨電壓的變化曲線，很明顯的，未加入緩沖層的器件的reset電壓大約 在3. 5V，以CeO2作為緩沖層的器件的reset電壓有了明顯降低，約為2V。并且從圖2中set 過程的電流隨電壓變化曲線中，我們發(fā)現(xiàn)以( 作為緩沖層的器件的set操作的閾值電壓 也比不加入緩沖層的器件有較大降低。并且圖3顯示以( 作為緩沖層的器件即使在電 壓脈沖為IOns時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)reset操作。綜合上面的數(shù)據(jù)，我們判定利用CeO2作為緩 沖層，可以有效降低相變存儲器單元操作電壓，從而降低了整個(gè)器件的操作功耗。
權(quán)利要求
1.一種降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在Si02/Si基片上涂覆( 薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆CeO2薄膜的Si02/Si基片退火處理，制得具有緩沖層的 Si02/Si 基片；(3)在步驟O)中制備的具有緩沖層的Si02/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封裝成 相變存儲器器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，步驟(1) 中所述CeA薄膜的厚度為5 15nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，所述 Si02/Si基片為經(jīng)過光刻工藝處理過的Si02/Si基片，涂覆( 薄膜的方法為磁控濺射法， 涂覆時(shí)濺射功率設(shè)為15 30W。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，采用 所述磁控濺射法涂覆( 薄膜時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比為0. 1 1 1 3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，所述 Si02/Si基片涂覆( 薄膜后在氧氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為5 15min，退火溫 度為350 5000C ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲器單元操作功耗的方法，其特征在于，步驟(3) 中涂覆的GST相變材料厚度為100 200nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低相變存儲器單元操作功耗的方法，包括如下步驟(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆有CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火處理，制得具有緩沖層的SiO2/Si基片；(3)在步驟(2)中制備的具有緩沖層的SiO2/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封裝成相變存儲器器件。本發(fā)明利用稀土金屬氧化物CeO2薄膜材料作為緩沖層，能有效降低相變存儲器單元操作電壓，從而降低功耗。
文檔編號H01L45/00GK102117883SQ20101002244
公開日2011年7月6日 申請日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者尚飛, 翟繼衛(wèi) 申請人:同濟(jì)大學(xué)