CN105047815A - 一种含石墨烯层的相变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含石墨烯层的相变存储器及其制备方法，在所述相变存储器中的相变层与上电极界面、相变层中间以及相变层与下电极界面加入石墨烯，以改善相存储器单元的器件性能。在相变层与上电极界面加入石墨烯，能够减小重复操作中相变材料与上电极形成空洞的可能性，降低器件的失效概率；在相变层中间插入石墨烯，能够有效的将相变区域与非晶变区域隔开，限制有效区域大小，从而提高器件性能的稳定性；在相变层与下电极界面加入石墨烯，能够有效的抑制可逆操作过程中下电极与相变层之间的元素扩散，从而提高相变薄膜组分稳定性，延长器件寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别是相变存储器件。
背景技术
相变存储器由于具有非易失性、可微缩性、高速、高循环寿命、多级存储以及与CMOS工艺兼容等优点,被认为是最有希望替代FLASH和DRAM的下一代非挥发性存储器。相变存储器是以硫系化合物为存储介质,利用电脉冲信号使材料在晶态与非晶态之间相互转换,而这两种状态有着明显的电阻差异,从而实现信息的存储[4]。为了实现非晶态到晶态的转变(Set),需要对相变材料施加一个弱而宽的电脉冲进行加热,当材料的温度高于结晶温度而又低于熔化温度时,相变材料就会结晶,从而形成具有较低电阻率的晶态；而为了实现非晶化(Reset),则需要施加一个强而窄的电脉冲进行加热,使得材料的温度高于其熔化温度将其熔化,随后经过一个快速冷却的淬火过程,形成短程有序长程无序的非晶态。
然而目前为止，相变存储器中自身存在一些问题，严重影响了相变存储器的性能。1)相变存储器是利用下电极产生的焦耳热对相变材料进行加热，在Reset过程中更是需要将相变薄膜熔化。在可逆操作过程中，下电极与相变薄膜不可避免的会发生扩散。元素的相互扩散将会引起相变材料组分不稳定，缩短器件寿命。2)在每次操作过程中，实际上有效的相变区域集中在下电极与相变层界面附近，大部分薄膜是不参与相变的。这就是说每次的有效相变区域是不一样的，即器件电阻不统一，从而影响器件性能的稳定性。3)相变器件最常见的失效原因是多次操作后，相变薄膜层与上电极形成空洞，即薄膜层与上电极不良接触造成的。
鉴于此，实有必要提供一种新的相变存储器结构以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于抑制薄膜层与下电极之间扩散、限制有效相变区域尺寸以及降低相变层与上电极形成空洞的概率。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种含石墨烯层的相变存储器，该相变存储器至少包括衬底，位于该衬底上的第一介质层以及形成于该第一介质层中的下电极，位于该第一介质层上的第二介质层以及形成于该第二介质层中的相变材料层，位于所述第二介质层上的上电极，所述相变材料层与上电极和下电极接触，所述相变材料层包括相变薄膜层以及与该相变薄膜层接触的至少一层石墨烯层。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
作为本发明的优选方案之一，所述石墨烯层包括至少三层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，第三层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
本发明还提供一种含石墨烯层的相变存储器制备方法，该方法至少包括以下步骤：提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述第一介质层上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上沉积相变材料，形成相变薄膜层；最后在所述相变薄膜层上形成上电极。
本发明还提供另一种含石墨烯层的相变存储器件制备方法，该方法至少包括以下步骤：
提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；在所述第一介质层上形成与所述下电极接触的第一相变薄膜层，采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述第一相变薄膜层上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上沉积相变材料，形成第二相变薄膜层；最后在所述第二相变薄膜层上形成上电极。
本发明还提供另一种含石墨烯层的相变存储器件制备方法，该方法至少包括以下步骤：
提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；在所述第一介质层上形成与所述下电极接触的相变薄膜层，采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述相变薄膜层上形成石墨烯层；在所述石墨烯层上形成上电极。
本发明在相变层与上电极界面或者相变层中间或者相变层与下电极界面加入石墨烯层。能够减小重复操作中相变材料与上电极形成空洞的可能性，降低器件的失效概率；有效的将相变区域与非晶变区域隔开，限制有效区域大小，从而提高器件性能的稳定性；有效的抑制可逆操作过程中下电极与相变层之间的元素扩散，从而提高相变薄膜组分稳定性，延长器件寿命。
附图说明
图1至图4为本发明实例一相变存储器制备过程示意图。
图5至图6为本发明实例二中相变存储器结构示意图，其中，图6为图5的局部示意图。
图7至图8为本发明实例三中相变存储器结构示意图，其中，图8为图7的局部示意图。
附图标记说明：
10、20、30衬底
11、21、31第一介质层
12、22、32第二介质层
13、23、33上电极
14、24、34下电极
15、25、35相变薄膜层
16、26、36石墨烯层
17、27、37TiN金属层
28第二相变薄膜层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种包含石墨烯层的相变存储器件及其制备方法，特点在于在现有的相变存储器件单元中加入石墨烯层。该石墨烯层可以形成于相变层与上电极界面或者相变层中间或者相变层与下电极界面，可以是其中任意一种，两种或者三种的组合。本发明中的相变材料可以是Ge-Sb-Te，Sb-Te-Te，Ge-Te，以及Ti-Sb-Te等。涉及到的石墨烯层可以是单层的、双层或者多层的。本发明中的下电极材料可能是W，TiN以及TiSiN。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图4所示，一种含石墨烯层的相变存储器，该相变存储器至少包括衬底10，位于该衬底上的第一介质层11以及形成于该第一介质层中的下电极14，位于该第一介质层上的第二介质层12以及形成于该第二介质层中的相变材料层，位于所述第二介质层上的上电极13，所述相变材料层与上电极13和下电极14接触，所述相变材料层包括相变薄膜层15以及与该相变薄膜层接触的至少一层石墨烯层16。本实施例中，所述石墨烯层16位于所述相变薄膜层15下表面并与所述下电极14接触。本实施例中，可以设置位于相变薄膜层15上方的金属层17。该金属层与上电极接触。本实施例中，上电极材料优选Al。第一介质层和第二介质层优选SiO2。
本实施例的下电极部分制备完成后，其后通过转移在下电极上加上石墨烯。再通过磁控溅射生长Ge2Sb2Te5相变薄膜，所用的靶材为Ge2Sb2Te5单质靶。TiN薄膜是通过在溅射过程中加入N2形成的，Ar气/N2气比例为14sccm/13sccm。TiN主要是为了加强相变材料层与上电极之间的粘附能力。通过电子束蒸发生长Al上电极，厚度在300纳米左右。
具体的，本发明含石墨烯层的相变存储器制备方法至少包括以下步骤：请参阅图1所示，首先，提供一衬底；该衬底可以为硅片，使用前可以将所述硅片衬底做清洗处理。将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括以下步骤：
1-1)提供一硅片衬底10，将所述硅片衬底置于由氨水、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；
1-2)将所述硅片衬底置于由盐酸、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；
1-3)将所述硅片衬底置于120℃的烘箱内烘烤30min去除表面水分。
其次，采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底10表面制备厚度为300～500nm的第一介质层11并在该第一介质层上形成下电极14；请参阅图2所示。
采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，具体的，制备石墨烯纳米材料的过程包括以下步骤：
2-1)首先，取制得的氧化石墨0.1g与100mL蒸馏水混合，在超声波振荡器中超声振荡30min；
2-2)将振荡分散好的氧化石墨加入到三颈瓶中，加入1g的NaBH4，并在100℃的温度中加热回流8h；
2-3)静置过滤，自然晾干，收集生成石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述第一介质层11上形成石墨烯层16；在所述石墨烯层16上利用磁控溅射工艺在沉积厚度为100nm的相变材料，形成相变薄膜层15；请参阅图3所示。最后在所述相变薄膜层上形成上电极13。请参阅图4所示。
本实施例在相变层与下电极界面加入石墨烯，能够有效的抑制可逆操作过程中下电极与相变层之间的元素扩散，从而提高相变薄膜组分稳定性，延长器件寿命。
实施例二
实施例二与实施例一制备方法类似，本实施例的下电极部分制备完成后。通过磁控溅射生长Ge2Sb2Te5相变薄膜，所用的靶材为Ge2Sb2Te5单质靶。其后通过转移在Ge2Sb2Te5相变薄膜上加上石墨烯。再通过磁控溅射生长Ge2Sb2Te5相变薄膜。TiN薄膜是通过在溅射过程中加入N2形成的，Ar气/N2气比例为14sccm/13sccm。通过电子束蒸发生长Al上电极，厚度在300纳米左右。
具体的，请参阅图5至图6所示，一种含石墨烯层的相变存储器，该相变存储器至少包括衬底20，位于该衬底上的第一介质层21以及形成于该第一介质层中的下电极24，位于该第一介质层上的第二介质层22以及形成于该第二介质层中的相变材料层，位于所述第二介质层上的上电极23，所述相变材料层与上电极23和下电极24接触，所述相变材料层包括相变薄膜层以及与该相变薄膜层接触的至少一层石墨烯层26。本实施例中，所述石墨烯层26位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上层相变薄膜层28和下层相变薄膜层25。本实施例中，可以设置位于相变薄膜层26上方的金属层27。该金属层与上电极接触。
本实施例在相变层中间插入石墨烯，能够有效的将相变区域与非晶变区域隔开，限制相变区域大小，从而提高器件性能的稳定性。
实施例三
与实施例一制备方法类似，本实施例的下电极部分制备完成后。通过磁控溅射生长Ge2Sb2Te5相变薄膜，所用的靶材为Ge2Sb2Te5单质靶。其后通过转移在Ge2Sb2Te5相变薄膜上加上石墨烯。TiN薄膜是通过在溅射过程中加入N2形成的，Ar气/N2气比例为14sccm/13sccm。通过电子束蒸发生长Al上电极，厚度在300纳米左右。
具体的，请参阅图7至图8所示，一种含石墨烯层的相变存储器，该相变存储器至少包括衬底30，位于该衬底上的第一介质层31以及形成于该第一介质层中的下电极34，位于该第一介质层上的第二介质层32以及形成于该第二介质层中的相变材料层，位于所述第二介质层上的上电极33，所述相变材料层与上电极33和下电极34接触，所述相变材料层包括相变薄膜层以及与该相变薄膜层接触的至少一层石墨烯层36。本实施例中，所述石墨烯层36位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。本实施例中，可以设置位于相变薄膜层26上方的金属层27。该金属层与上电极接触。
本实施例在相变层与下电极界面加入石墨烯，能够有效的抑制可逆操作过程中下电极与相变层之间的元素扩散，从而提高相变薄膜组分稳定性，延长器件寿命。
实施例四
本实施例和上述实施例类似，不同之处在于石墨烯层包括两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
实施例五
本实施例和上述实施例类似，不同之处在于石墨烯层包括两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。
实施例六
本实施例和上述实施例类似，不同之处在于石墨烯层包括两层，其中一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
实施例七
本实施例和上述实施例类似，不同之处在于石墨烯层包括至少三层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，第三层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：该相变存储器至少包括
衬底，
位于该衬底上的第一介质层以及形成于该第一介质层中的下电极，
位于该第一介质层上的第二介质层以及形成于该第二介质层中的相变材料层，
位于所述第二介质层上的上电极，所述相变材料层与上电极和下电极接触，
所述相变材料层包括相变薄膜层以及与该相变薄膜层接触的至少一层石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触。
3.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
4.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。
5.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
6.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触。
7.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层包括至少两层，其中一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，另一层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
8.根据权利要求1所述的含石墨烯层的相变存储器，其特征在于：所述石墨烯层包括至少三层，其中一层位于所述相变薄膜层下并与所述下电极接触，另一层位于所述相变薄膜层上并与所述上电极接触，第三层位于所述相变薄膜层中间，使所述相变薄膜层分为上下两层。
9.一种含石墨烯层的相变存储器制备方法，其特征在于：该方法至少包括以下步骤：
提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；
采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述第一介质层上形成石墨烯层；
在所述石墨烯层上沉积相变材料，形成相变薄膜层；
最后在所述相变薄膜层上形成上电极。
10.一种含石墨烯层的相变存储器件制备方法，其特征在于：该方法至少包括以下步骤：
提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；
在所述第一介质层上形成与所述下电极接触的第一相变薄膜层，
采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述第一相变薄膜层上形成石墨烯层；
在所述石墨烯层上沉积相变材料，形成第二相变薄膜层；
最后在所述第二相变薄膜层上形成上电极。
11.一种含石墨烯层的相变存储器件制备方法，其特征在于：该方法至少包括以下步骤：
提供一衬底；采用化学气相沉积工艺在所述硅片衬底表面制备第一介质层并在该第一介质层上形成下电极；
在所述第一介质层上形成与所述下电极接触的相变薄膜层，
采用化学分散法制备石墨烯纳米材料，并将制备的石墨烯纳米材料转移至所述相变薄膜层上形成石墨烯层；
在所述石墨烯层上形成上电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |