一種新型相變存儲單元及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種新型相變存儲單元及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲器是國際上公認的將取代閃存Flash成為主流的非揮發(fā)存儲器，這緣于相變存儲器優(yōu)異的特性，例如高數(shù)據(jù)保持力、低功耗、高密度、高速度、循環(huán)壽命長及與當今的CMOS工藝兼容等。此外，采用不同的相變存儲介質(zhì)能調(diào)節(jié)相變存儲器的存儲性能，以適應(yīng)不同嚴厲的工作環(huán)境。因此，相變存儲器在下一代存儲器中將占有重要一席，具有廣闊的市場前景。
[0003]相變存儲器的原理是利用存儲介質(zhì)在電脈沖的作用下產(chǎn)生的焦耳熱使存儲介質(zhì)在晶態(tài)(低阻)與非晶態(tài)(高阻)之間相互轉(zhuǎn)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，功耗較高。隨著器件尺寸的縮小，晶體管的驅(qū)動能力也隨之變小，難以驅(qū)動相變儲器的操作。高的擦寫電流限制了相變存儲器在市場上的應(yīng)用。當前研究的熱點聚焦在相變存儲介質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)方面，以降低相變存儲器的功耗。相變存儲介質(zhì)是相變存儲器的核心，研究表明，低熔點和低熱導率的相變介質(zhì)能夠顯著降低寫操作電流。可以開發(fā)新型的低熔點、低熱導率的相變存儲材料。此外，也可以將相變材料與介質(zhì)材料在納米尺度內(nèi)復(fù)合形成納米復(fù)合材料。介質(zhì)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。采用納米復(fù)合材料是降低功耗的有效方法。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面，采用人工構(gòu)造類超晶格的多層相變薄膜可以有效減小熱導率，提高加熱效率，從而降低功耗。此外，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，減小相變材料與電極的接觸面積也可降低操作電流。然而，研發(fā)新型材料帶來的器件可靠性有待考驗，優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)需要多次曝光刻蝕工藝才能完成，增加了器件制備的復(fù)雜度。而將寫電流進一步減小是相變存儲器發(fā)展必須面對的問題。因而，如何采用簡單有效的方法，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(shù)領(lǐng)域需要解決的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種操作電流小，功耗低的新型相變存儲單元及其制備方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種新型相變存儲單元，包括半導體襯底，所述的半導體襯底上設(shè)置有呈水平分布的多層電極，所述的多層電極的中間從下到上依次嵌設(shè)有相變存儲薄膜及介質(zhì)層。
[0006]所述的多層電極由至少兩種不同的導電材料層按順序上下交替排列形成至少10層界面結(jié)構(gòu)，所述的導電材料為TiN、T1、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或A1N，所述的相變存儲薄膜為存儲材料Ge-Sb-Te體系，所述的介質(zhì)層采用的材料為Si3N4或Si02，所述的半導體襯底采用的材料為S1、SiC或SOI。
[0007]所述的多層電極的總厚度為150?500 nm，單層所述的導電材料層的厚度為2-15nm?？梢孕纬芍辽?0層界面，利用界面效應(yīng)增加聲子散射，降低電極的熱導率，以減少相變層的焦耳熱向電極方向的流失。
[0008]所述的相變存儲薄膜的水平寬度和所述的介質(zhì)層的水平寬度相等且均為100-1000nm，所述的相變存儲薄膜的厚度為10-120n，所述的介質(zhì)層的上表面與所述的多層電極的上表面齊平。在相變存儲薄膜上方再填充Si3N4或5102介質(zhì)材料，以保護相變存儲薄膜不會被氧化。
[0009]—種新型相變存儲單元的制備方法，具體包括以下步驟:
(1)采用磁控濺射或脈沖激光在半導體襯底上沉積生長呈水平分布的多層電極；
(2)利用曝光-刻蝕工藝將整個多層電極一分為二，中間形成間距為100-1000nm的長方體形凹槽；
(3)采用磁控濺射或脈沖激光在凹槽中依次沉積生長相變存儲薄膜及介質(zhì)層；
(4)利用曝光-刻蝕工藝去除多層電極上方的部分介質(zhì)層，得到新型相變存儲單元。
[0010]所述的多層電極由至少兩種不同的導電材料層按順序上下交替排列形成至少10層界面結(jié)構(gòu)，所述的導電材料為TiN、T1、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或A1N，所述的相變存儲薄膜為存儲材料Ge-Sb-Te體系，所述的介質(zhì)層采用的材料為Si3N4或Si02，所述的半導體襯底采用的材料為S1、SiC或S0I ;所述的多層電極的總厚度為150?500 nm，單層所述的導電材料層的厚度為2-15nm ;所述的相變存儲薄膜的水平寬度和所述的介質(zhì)層的水平寬度相等，所述的相變存儲薄膜的厚度為10-120n，所述的介質(zhì)層的上表面與所述的多層電極的上表面齊平。
[0011]—種新型相變存儲單元的制備方法，具體包括以下步驟::
(1)采用磁控濺射或脈沖激光在半導體襯底上依次沉積生長相變存儲薄膜及介質(zhì)層；
(2)利用曝光-刻蝕工藝將相變存儲薄膜及介質(zhì)層刻蝕出長條形，兩側(cè)露出半導體襯底表面；
(3)采用磁控濺射或脈沖激光在兩側(cè)露出的半導體襯底表面沉積生長呈水平分布的多層電極；
(4)利用曝光-刻蝕工藝去除介質(zhì)層上方的部分多層電極，得到新型相變存儲單元。
[0012]所述的多層電極由至少兩種不同的導電材料層按順序上下交替排列形成至少10層界面結(jié)構(gòu)，所述的導電材料為TiN、T1、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或A1N，所述的相變存儲薄膜為存儲材料Ge-Sb-Te體系，所述的介質(zhì)層采用的材料為Si3N4或Si02，所述的半導體襯底采用的材料為S1、SiC或S0I ;所述的多層電極的總厚度為150?500 nm，單層所述的導電材料層的厚度為2-15nm ;所述的相變存儲薄膜的水平寬度和所述的介質(zhì)層的水平寬度相等且均為l〇〇-l〇〇〇nm，所述的相變存儲薄膜的厚度為10-120n，所述的介質(zhì)層的上表面與所述的多層電極的上表面齊平。
[〇〇13]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明一種新型相變存儲單元及其制備方法，半導體襯底上設(shè)置有呈水平分布的多層電極，多層電極的中間從下到上依次嵌設(shè)有相變存儲薄膜及介質(zhì)層，即相變功能層嵌入在左右橫向的類超晶格電極之中，該類超晶格電極由多種(兩種及其以上)不同導電材料交替而成的納米多層周期結(jié)構(gòu)，該多層電極包含多層界面，界面的散射效應(yīng)使得電極具有較小的熱導率，這樣，電脈沖作用下在相變存儲介質(zhì)產(chǎn)生的焦耳熱很難從兩端電極散失，即減小了熱量向電極方向的擴散。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，這樣就達到了降低擦寫電流和降低功耗的目的。
[0014]綜上所述，本發(fā)明一種新型相變存儲單元及其制備方法，所制作的相變存儲器利用多層嵌入式結(jié)構(gòu)的散射效應(yīng)，有效地降低熱量流失，充分提高加熱效率，進而降低操作電流，實現(xiàn)低功耗。本發(fā)明提供的水平式相變存儲單元的制備方法，工藝簡單，便于制作和大批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明新型相變存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為具體實施例四相變存儲單元的工藝流程示意圖一；
圖3為具體實施例四相變存儲單元的工藝流程示意圖二；
圖4為具體實施例五相變存儲單元的工藝流程示意圖一；
圖5為具體實施例五相變存儲單元的工藝流程示意圖二；
圖6為具體實施例五相變存儲單元的電流-電壓特性曲線；
圖7為具體實施例五相變存儲單元的電阻-電壓特性曲線；
圖8為具體實施例五相變存儲單元的疲勞特性曲線。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0017]具體實施例一一種新型相變存儲單元，如圖1所示，包括半導體襯底1，半導體襯底1上設(shè)置有呈水平分布的多層電極2,多層電極2的中間從下到上依次嵌設(shè)有相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4。
[0018]在此具體實施例中，多層電極2由至少兩種不同的導電材料層5按順序上下交替排列形成至少10層界面結(jié)構(gòu)，類似形成超晶格結(jié)構(gòu)，導電材料為TiN、T1、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或A1N，相變存儲薄膜3為存儲材料Ge-Sb-Te體系(或其他具有相變存儲特性的材料)，介質(zhì)層4采用的材料為Si3N4或Si02，半導體襯底4采用的材料為S1、SiC或SOI。多層電極2的總厚度為150?500 nm，單層導電材料層5的厚度為2-15nm ;相變存儲薄膜3的水平寬度和介質(zhì)層4的水平寬度相等且均為100-1000nm，相變存儲薄膜3的厚度為10-120n，介質(zhì)層4的上表面與多層電極2的上表面齊平。
[0019]具體實施例二一種新型相變存儲單元，如圖1所示，包括半導體襯底1，半導體襯底1上設(shè)置有呈水平分布的多層電極2,多層電極2的中間從下到上依次嵌設(shè)有相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4,其制備方法如下:
(1)采用磁控濺射或脈沖激光在半導體襯底1上沉積生長呈水平分布的多層電極2 ;
(2)利用曝光-刻蝕工藝將整個多層電極2 —分為二，中間形成間距為100-1000nm的長方體形凹槽6 ;
(3)采用磁控濺射或脈沖激光在凹槽6中依次沉積生長相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4 ;
(4)利用曝光-刻蝕工藝去除多層電極2上方的部分介質(zhì)層4,得到新型相變存儲單元。
[0020]在此具體實施例中，多層電極2由至少兩種不同的導電材料層5按順序上下交替排列形成至少10層界面結(jié)構(gòu)，導電材料為TiN、T1、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或A1N，相變存儲薄膜3為存儲材料Ge-Sb-Te體系，介質(zhì)層4采用的材料為Si3N4或Si02，半導體襯底1采用的材料為S1、SiC或SOI ;多層電極2的總厚度為150?500 nm，單層導電材料層5的厚度為2-15nm ;相變存儲薄膜3的水平寬度和介質(zhì)層4的水平寬度相等，相變存儲薄膜3的厚度為10-120n，介質(zhì)層4的上表面與多層電極2的上表面齊平。
[0021]具體實施例三一種新型相變存儲單元，如圖1所示，包括半導體襯底1，半導體襯底1上設(shè)置有呈水平分布的多層電極2,多層電極2的中間從下到上依次嵌設(shè)有相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4,其制備方法如下:
(1)采用磁控濺射或脈沖激光在半導體襯底1上依次沉積生長相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4 ;
(2)利用曝光-刻蝕工藝將相變存儲薄膜3及介質(zhì)層4刻蝕出長條形，