CN102117883B - 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 - Google Patents
一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102117883B CN102117883B CN201010022442.8A CN201010022442A CN102117883B CN 102117883 B CN102117883 B CN 102117883B CN 201010022442 A CN201010022442 A CN 201010022442A CN 102117883 B CN102117883 B CN 102117883B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power consumption
- phase
- change memory
- substrate
- phase change
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
本发明涉及一种降低相变存储器单元操作功耗的方法，包括如下步骤：(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜；(2)将步骤(1)中制备的涂覆有CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火处理，制得具有缓冲层的SiO2/Si基片；(3)在步骤(2)中制备的具有缓冲层的SiO2/Si基片上，涂覆GST相变材料，并封装成相变存储器器件。本发明利用稀土金属氧化物CeO2薄膜材料作为缓冲层，能有效降低相变存储器单元操作电压，从而降低功耗。
Description
技术领域
本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种采用稀土金属氧化物CeO2薄膜作为缓冲层以降低相变存储器单元操作功耗的方法，该方法完全满足硅集成工艺的技术要求。
背景技术
相变存储器(PCM)主要是利用某些材料在特定的电流脉冲之下会具有快速且可逆的相变化效应，进而导致材料在某些特性上的稳定改变來达到存储效果，此外其最终的状态并不会随着外加能量的消失而改变，因此具有非挥发性的特点。PCM技术凭借其在读取速度、可靠度、非破坏性读取、非挥发性、尺寸微小化以及成本方面的优势，已被公认为最有潜力取代传统的DRAM技术及Flash闪存技术成为主流的存储器技术之一。目前采用的最为成熟的相变材料为Ge2Sb2Te5(GST)合金，最为常见的相变存储器单元(PCM cell)结构为以W为加热电极的T型结构。但在传统的T型结构中，W电极直接与相变材料接触，而W具有很高的热导率(174W/m·K)，如此高的热导率一方面导致热量大量向四周扩散，热能利用率不高，S.M.Sadeghipour等人的计算发现真正用于相变的能量仅占总能量的0.2～1.4％(S.M.Sadeghipour，L. Pileggi，and M.Asheghi，Phase Change Random Access Memory，Thermal Analysis，The TenthIntersociety Conference on ITHERM(IEEE)，NewYork，2006，660-665)；另一方面电极与相变材料之间的界面处无法很好的聚集热量，导致相变材料中温度最高的区域不是集中在界面处，而是处于电极的上端，这种加热方式将会导致“晶化走廊”的出现，为消除“晶化走廊”对整个器件RESET态电阻的影响，势必要消耗额外的功耗。
随着信息技术产业对相变存储器产品需求的日益增加，实现PCM cell与现有CMOS工艺集成是非常关键的，因此，也就急需进一步降低PCM cell的操作功耗。目前，降低PCM cell的操作电流/电压的主要方法有：(1)改良器件结构，减小相变材料与电极之间的接触面积；(2)优化相变薄膜层与电极的尺寸；(3)相变材料开发与掺杂改性，如降低相变材料熔点或增加电阻提高自加热能力从而降低操作电流；(4)植入其它材料的加热介质辅助提高器件加热效率，降低功耗。其中，在底W电极与相变材料之间植入薄薄的一层加热层以升高相变材料层中的温度的方法具有制程简便，可操作性强并且不需要改变传统的T型结构的特点。而目前对于加热层材料的研究大量集中在一些金属氧化物或氮氧化物上，如文献M.H.Jang et al.StructuralStability and Phase-Change Characteristics of Ge2Sb2Te5/SiO2 Nano-Multilayered Films，Electrochemical and Solid-State Letters，2009，12(4)，H151-H154公开的SiO2；文献C.Xu，Z.Song，B.Liu，S.Feng，and B.Chen，Lower current operation of phase change memory cell with a thinTiO2 layer，Appl.Phys.Lett.2008，92，062103公开的TiO2；文献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公开的Ta2O5；文献P. K.Wong，J.E.Evetts，and M.G. Blamire，High conductance magnetoresistive tunnel junctions with multiply oxidized barrier，J.Appl.Phys.1998，83，6697-6699公开的Al2O3；文献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公开的TiON等，这些材料具有低的热导率(1-2W/m·K量级)和较高的电阻率(0.01-1Ω·cm量级)，可以有效地减少热扩散现象并提高产热效率，但这些加热层材料需要很好的控制厚度以防止被击穿而导致界面效应失效。因此进一步寻找新的加热层材料体系以降低PCM cell的操作功耗是十分必须的。
通过选择合适的加热层材料来优化PCM cell操作功耗是目前相变存储器研究的一个重要方面，目前已有大量关于采用金属氧化物及氮氧化物材料的研究报道。然而，采用稀土金属氧化物材料，如CeO2的研究尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用稀土金属氧化物CeO2作为缓冲层降低相变存储器单元操作功耗的方法，使其能够在相变存储器器件中得到实际应用。
本发明的发明人经过大量的实验研究，发现选用稀土金属氧化物材料CeO2作为缓冲层材料，制得相变存储器器件比未采用缓冲层材料的器件操作电压明显降低，有效地降低了整个器件的操作功耗，适用于相变存储器器件中开发。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种降低相变存储器单元操作功耗的方法，包括如下步骤：
(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜；
(2)将步骤(1)中制备的涂覆有CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火处理，制得具有缓冲层的SiO2/Si基片；
(3)在步骤(2)中制备的具有缓冲层的SiO2/Si基片上，涂覆GST相变材料，并封装成相变存储器器件。
步骤(1)中所述CeO2薄膜厚度为5～10nm，优选为10nm。
所述SiO2/Si基片为经过光刻工艺处理过的SiO2/Si基片，涂覆CeO2薄膜的方法为磁控溅射法，涂覆时溅射功率设为15～30W，优选为20W。
采用所述磁控溅射法涂覆CeO2薄膜时通入氧气和氩气，且氧气分压与氩气分压比为0.1～1∶1～3，优选为1∶3。
所述SiO2/Si基片涂覆CeO2薄膜后在氧气气氛中进行退火处理，退火时间为5～15min，优选为10min，退火温度为350～500℃，优选为400℃。
步骤(3)中涂覆的GST相变材料厚度为100～200nm，优选为150nm。
本发明利用稀土金属氧化物材料CeO2作为缓冲层，制备的相变存储器器件具有较低的操作电压，在电压脉冲为3.8V，10ns时仍然具有良好的相变效应，得到一种具有新型缓冲层结构的复合材料体系。
附图说明
图1为含有CeO2缓冲层的相变存储器器件、以及不含缓冲层的相变存储器器件的Reset操作的存储单元电阻随操作电压的变化曲线。
图2为含有CeO2缓冲层的相变存储器器件、以及不含缓冲层的相变存储器器件中Set操作中电流随电压的变化曲线。
图3含有CeO2缓冲层的相变存储器器件中Reset操作中不同脉宽的电压脉冲下存储单元电阻随操作电压的变化曲线。
具体实施方式
实施例1
相变存储器器件中采用CeO2作为缓冲层。
a、采用磁控溅射法在经过光刻工艺处理后的SiO2/Si基片上制备厚度为10nm的CeO2薄膜，溅射功率为20W，溅射时通入氧气和氩气，且氧气分压与氩气分压比为1∶3。
b、将制备好的CeO2薄膜在氧气气氛中退火处理10min，退火温度为400℃，获得最终的缓冲层材料。
c、在镀有缓冲层材料的SiO2/Si基片上，采用磁控溅射法制备了厚度为150nm的GST相变材料，并封装成相变存储器器件。
相变存储器器件reset过程中的电阻-电压及set过程中电流-电压性能的测试是采用Agilent-81104A脉冲信号发生器输出特定的电压脉冲，并使用Keithley-2400数字源表记录电阻或电流的数值，来分别获得电阻随电压的变化曲线及电流随电压的变化曲线。图1及图2中所采用的电压脉冲的脉宽均为50ns。由于在相变存储器中，reset过程中所需要的电压脉冲要比set过程的高，并且在reset过程中需要消除“晶化走廊”的影响，因此在降低功耗方面我们主要关注reset操作中电压的降低。图2表示的是器件在reset操作过程中的电阻随电压的变化曲线，很明显的，未加入缓冲层的器件的reset电压大约在3.5V，以CeO2作为缓冲层的器件的reset电压有了明显降低，约为2V。并且从图2中set过程的电流随电压变化曲线中，我们发现以CeO2作为缓冲层的器件的set操作的阈值电压也比不加入缓冲层的器件有较大降低。并且图3显示以CeO2作为缓冲层的器件即使在电压脉冲为10ns时仍然可以实现reset操作。综合上面的数据，我们判定利用CeO2作为缓冲层，可以有效降低相变存储器单元操作电压，从而降低了整个器件的操作功耗。
Claims (5)
1.一种降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，所述降低相变存储器单元操作功耗的方法步骤如下：
(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜，所述CeO2薄膜的厚度为10nm；
(2)将步骤(1)中制备的涂覆CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火处理，制得具有缓冲层的SiO2/Si基片；
(3)在步骤(2)中制备的具有缓冲层的SiO2/Si基片上，涂覆GST相变材料，并封装成相变存储器器件。
2.根据权利要求1所述的降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，所述SiO2/Si基片为经过光刻工艺处理过的SiO2/Si基片，涂覆CeO2薄膜的方法为磁控溅射法，涂覆时溅射功率设为15～30W。
3.根据权利要求2所述的降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，采用所述磁控溅射法涂覆CeO2薄膜时通入氧气和氩气，且氧气分压与氩气分压比为0.1～1:1～3。
4.根据权利要求1所述的降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，所述SiO2/Si基片涂覆CeO2薄膜后在氧气气氛中进行退火处理，退火时间为5～15min，退火温度为350～500℃。
5.根据权利要求1所述的降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，步骤(3)中涂覆的GST相变材料厚度为100～200nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010022442.8A CN102117883B (zh) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010022442.8A CN102117883B (zh) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102117883A CN102117883A (zh) | 2011-07-06 |
| CN102117883B true CN102117883B (zh) | 2014-05-21 |
Family
ID=44216545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010022442.8A Expired - Fee Related CN102117883B (zh) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102117883B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101110464A (zh) * | 2007-08-01 | 2008-01-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 降低相变存储器器件单元功耗的加热层及器件的制作方法 |
| CN101226990A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现方法 |
| CN101226989A (zh) * | 2008-01-22 | 2008-07-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的过渡层 |
| CN101267016A (zh) * | 2008-02-15 | 2008-09-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储器单元器件的结构的改进 |
| CN101335329A (zh) * | 2008-08-05 | 2008-12-31 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种提高相变存储器存储单元可靠性的结构及其制作方法 |
| CN101752497A (zh) * | 2009-12-15 | 2010-06-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 低功耗高稳定性的相变存储单元及制备方法 |
-
2010
- 2010-01-05 CN CN201010022442.8A patent/CN102117883B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101110464A (zh) * | 2007-08-01 | 2008-01-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 降低相变存储器器件单元功耗的加热层及器件的制作方法 |
| CN101226989A (zh) * | 2008-01-22 | 2008-07-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的过渡层 |
| CN101226990A (zh) * | 2008-02-04 | 2008-07-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于降低相变存储器单元功耗的氧化物隔热层及实现方法 |
| CN101267016A (zh) * | 2008-02-15 | 2008-09-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储器单元器件的结构的改进 |
| CN101335329A (zh) * | 2008-08-05 | 2008-12-31 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种提高相变存储器存储单元可靠性的结构及其制作方法 |
| CN101752497A (zh) * | 2009-12-15 | 2010-06-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 低功耗高稳定性的相变存储单元及制备方法 |
Non-Patent Citations (10)
| Title |
|---|
| A.Beck,et al..reproducible switching effect in thin oxide films for memory applications.《Appl.Phys.Lett.》.2000, |
| Dev.》.2008, * |
| G.W.Burr B.N.Kurdi |
| G.W.Burr,B.N.Kurdi,et al..Overview of candidate device technologies for storage-class memory.《IBM J.Res.& * |
| Recent Progress in resistance change memory;Yoshio Nishi,John R.Jameson;《IEEE》;20081231;全文 * |
| reproducible switching effect in thin oxide films for memory applications;A.Beck,et al.;《Appl.Phys.Lett.》;20000703;全文 * |
| Yoshio Nishi,John R.Jameson.Recent Progress in resistance change memory.《IEEE》.2008, |
| 夏吉林.相变存储器存储单元设计与关键制备工艺.《中国优秀硕士论文全文数据库》.2007, |
| 汪昌州，翟继卫，姚熹.基于相变存储器的相变存储材料的研究进展.《材料导报：综述篇》.2009, * |
| 相变存储器存储单元设计与关键制备工艺;夏吉林;《中国优秀硕士论文全文数据库》;20071231;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102117883A (zh) | 2011-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101582485B (zh) | 掺杂改性的相变材料及含该材料的相变存储器单元及其制备方法 | |
| US9276202B2 (en) | Phase-change storage unit containing TiSiN material layer and method for preparing the same | |
| CN102751437B (zh) | 一种免电激活的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN102903845B (zh) | 一种阻变存储器及其制备方法 | |
| CN106601907B (zh) | 一种选通管材料、选通管单元及其制作方法 | |
| TW200913250A (en) | Multi-level memory cell having phase change element and asymmetrical thermal boundary | |
| CN101826598B (zh) | 一种多态有机阻变存储器及制备方法 | |
| CN102194995A (zh) | 一种基于氧化锌的极性可控阻变存储器及其制备方法 | |
| CN101577310A (zh) | 一种电阻转变型存储器及其制作方法 | |
| CN106374043A (zh) | 一种Si‑Sb‑Se纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 | |
| CN103594621B (zh) | 一种相变存储单元及其制备方法 | |
| CN106374045A (zh) | 一种基于GeSbTe相变材料的薄膜器件 | |
| CN103682095B (zh) | 一种具有选择特性的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN102117882B (zh) | 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 | |
| CN102931347A (zh) | 一种阻变存储器及其制备方法 | |
| CN103579499A (zh) | 具有整流特性的阻变存储器器件及其制作法 | |
| CN103794621B (zh) | 一种双向限流器件及其制备方法 | |
| US20130292629A1 (en) | Phase change memory cell and fabrication method thereof | |
| CN102117883B (zh) | 一种降低相变存储器单元操作功耗的方法 | |
| CN103794722A (zh) | 新型相变存储单元结构及其制备方法 | |
| CN102214790A (zh) | 一种具有自整流效应的阻变存储器 | |
| CN102130296A (zh) | 一种基于掺杂氧化钒薄膜的阻变存储器及其制备方法 | |
| CN102214674B (zh) | 一种基于soi材料的具有自整流效应的阻变存储器 | |
| CN103247696A (zh) | 隧穿二极管整流器件及其制造方法 | |
| CN101101960A (zh) | 一种可降低复位操作电流的电阻存储器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140521 Termination date: 20170105 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |