專利名稱：低功耗相變存儲單元及其制備方法
技術領域：
本發(fā)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(yōu)點，諸如高密度、低功耗、操作快、循環(huán)壽命長等，特別是在器件特征尺寸的微縮方面的優(yōu)勢尤為突出。因此，相變存儲器被認為是下一代非揮發(fā)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(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間相互轉化實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(yōu)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(fā)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(fā)明內容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)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(xiàn)有技術中相變存儲材料表現(xiàn)出的寫操作電流大，功耗高的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)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(fā)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。本發(fā)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(tǒng)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。


圖I為本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明的多層上電極相變存儲單元與傳統(tǒng)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(fā)明的多層上電極相變存儲單元與傳統(tǒng)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(fā)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發(fā)明的實施方式，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發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明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(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明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發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。本發(fā)明的相變存儲單元，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。本發(fā)明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(xù)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?？涛g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發(fā)明，但本發(fā)明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500nm的圓柱形多層下電極，然后再沉積厚度為600nm的第二介質層(作為絕緣層)Si02，利用拋光工藝將圓柱形多層電極上面的絕緣層去除。如圖2b所示。步驟3 :在上述步驟后獲得的結構上利用磁控濺射制備相變層(GaSbTe)，將GaSb和Sb2Te3合金靶的射頻功率分別設為25和20瓦，Ar流量設為20SCCM，待本底真空低于3 X 10_4帕斯卡,開啟射頻電源，打開Ar進氣閥門，打開GaSb和Sb2Te3合金祀祀蓋,派射7min后，關閉射頻電源和靶蓋，得到GaSbTe薄膜的厚度約為50nm。步驟4 :在上述步驟后獲得的結構上沉積厚度約為20nm的TiN作為過渡層，利用曝光-刻蝕工藝得到平面尺寸為1000 X IOOOnm2的器件單元，再沉積Al電極，作為上電極，得到如圖I所示的結構。 步驟5 :利用曝光-刻蝕工藝，去除相鄰器件單元之間的Al，得到可測試的相變存儲單元。實施例2請參閱圖3所示，一種低功耗的相變存儲單元100，該相變存儲單元包括襯底11，位于襯底I上的第一介質層12、位于該第一介質層12上的下電極13、包裹該下電極13的第二介質層14、位于該下電極13和第二介質層14上的相變材料層15、位于該相變材料層15上的多層結構16以及位于該多層結構16上的上電極17。在本實施例中,所述多層結構16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161和相鄰的第二單層薄膜161。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Si (100)/SiO2基底，并在80° C烘箱中烘干，在硅襯底上制備金屬電極(W),作為下電極,厚度為600nm。如圖4a所不。步驟2 :利用曝光-刻蝕工藝在多層電極上刻蝕出直徑為260nm，高為500nm的圓柱形下電極，然后再沉積厚度為600nm的絕緣層(SiO2)，利用拋光工藝將圓柱形電極上面的絕緣層去除。如圖4b所示。步驟3 :在上述步驟后獲得的結構上利用磁控濺射制備相變層(GaSbTe)，將GaSb和Sb2Te3合金靶的射頻功率分別設為25和20瓦，Ar流量設為20SCCM，待本底真空低于3 X 10_4帕斯卡,開啟射頻電源，打開Ar進氣閥門，打開GaSb和Sb2Te3合金祀祀蓋,派射7min后，關閉射頻電源和靶蓋，得到GaSbTe薄膜的厚度約為50nm。步驟4 :在上述步驟后獲得的結構上制備多層電極結構如圖4c所示，將TiN和W以5nm的單層厚度依次輪流交替沉積，形成“TiN/W/TiN/W…”的多層電極，總厚度為50nm。利用曝光-刻蝕工藝得到平面尺寸為1000X IOOOnm2的器件單元，再沉積Al電極，作為上電極。步驟5 :利用曝光-刻蝕工藝，去除相鄰器件單元之間的Al，得到可測試的相變存儲單元，得到如圖3所示的結構。實施例3本實施例和以上2個實施例的區(qū)別僅在于制備上下電極時，均制備成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(fā)明中，對制備的多層相變存儲單元進行了測試，以評估多層相變存儲單元的電性能。圖5是非多層電極與多層電極相變存儲單元的在20ns電脈沖下的電阻與電壓關系曲線。相變存儲器的功耗主要取決于寫操作所消耗的能量。由圖5可見，多層電極的寫操作電壓為2. 8V左右，明顯低于非多層電極的寫操作電壓3. 5V。這說明基于多層電極的相變存儲單元的功耗更低。圖6是制備的相變存儲單元在120° C的工作環(huán)境下的電阻與電壓關系曲線，施加的電脈沖寬度為50ns。由圖6可見，基于多層電極的相變存儲單元在高溫下的寫操作電壓仍然低于非多層電極的相變存儲單元，進一步驗證了多層電極相變存 儲器具有低功耗的特點。由于多層電極引入的界面較多，在高溫下，較大的界面應力可能會導致相變存儲單元失效。為考證它的穩(wěn)定性，將多層電極相變存儲單元在120° C的高溫工作環(huán)境下進行了疲勞測試。圖7是多層電極相變存儲單元在120° C下的疲勞性能測試結果。在120° C下，多層電極相變存儲單元能夠反復擦寫近IO6次?？梢姸鄬咏缑娌粫绊懙较嘧兇鎯卧牟僮餍阅?，這也說明多層電極相變存儲單元具有穩(wěn)定的電學操作性能。綜上所述，與傳統(tǒng)的相變存儲單元相比，本發(fā)明的多層電極相變存儲單元的寫操作電流更小，功耗更低。本發(fā)明提供的多層電極相變存儲單元的制備方法及工藝簡單，便于制作和大批量生產。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備低功耗相變存儲單元的方法，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。
8.根據(jù)權利要求6所述的制備低功耗相變存儲單元的方法，其特征在于所述下電極或下電極的厚度為30 500nm。
9.根據(jù)權利要求6所述的制備低功耗相變存儲單元的方法，其特征在于所述介質層的材料為Si3N4或Si02。
10.根據(jù)權利要求6所述的制備低功耗相變存儲單元的方法，其特征在于，采用磁控濺射法、化學氣相沉積法或原子層沉積法ALD來制備介質層、相變材料層、上電極及下電極。
全文摘要
本發(fā)明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(fā)明還提供了制作低功耗相變存儲器的方法，本發(fā)明所制作的相變存儲器有效地將焦耳熱抑制在相變材料區(qū)域，提高了加熱效率，降低了器件功耗。
文檔編號H01L45/00GK102779941SQ201210300829
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權日2012年8月22日
發(fā)明者劉波, 呂業(yè)剛, 吳良才, 宋三年, 宋志棠, 饒峰 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所