CN108899416A - 一种相变存储器的擦写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变存储器的擦写方法，其擦写包括通过对于相变存储器进行预操作使相变材料进入中间态，并且将相变材料在中间态以及非晶态之间进行可逆转变从而实现相变存储器的高低阻态循环，相较于传统的将相变材料在晶态以及非晶态之间操作的相变存储器，使用本发明的相变存储器有着显著降低的操作电流，操作电流被降低至可以与二端选通管集成从而实现三维堆叠的程度。本发明操作方案简单，适用于各种结构的相变存储器，且可以在不改变生产流程的前提下降低操作功耗，有着大规模应用的潜力，适用于工业生产和产品化。
Description
技术领域
本发明属于微电子学领域，更具体地，涉及一种可以使相变存储器功耗降低的擦写方法，包括预操作以及擦写操作。
背景技术
现代社会对于低功耗、高密度存储的需求越来越高，而Flash技术面临着物理极限难以进一步发展。由于相变存储器没有理论上的物理极限，结构简单，擦写速度快，被人们认为是下一代非易失存储器的候选之一。
作为下一代非易失存储技术中最为成熟也最有可能商业化的存储器件，相变存储器一直受到广泛的关注。但是相变存储器较高的操作电流局限了其应用，目前已经有一系列的工作致力于降低相变存储器的操作电流。如：专利CN1763986A通过特殊工艺来实现较低的电极接触面积，从而降低相变存储器的功耗；专利CN102064276B利用非对称环状电极接触从而降低操作功耗。但是以上方式结构都较为复杂，从而会提高生产成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种相变存储器的擦写方法，由此解决现有降低相变存储器操作电流的方式存在的结构复杂，生产成本较高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种相变存储器的擦写方法，包括：
对相变存储器进行预操作使所述相变存储器中的相变材料从初始的非晶态进入中间态，其中，所述中间态是介于所述非晶态以及稳定的晶态之间的亚稳态；
对所述相变存储器中的相变材料施加第一电脉冲，使所述相变材料进入非晶态，以实现擦操作；
对所述相变存储器中的相变材料施加第二电脉冲，使所述相变材料处于中间态，以实现写操作。
优选地，所述擦操作与所述写操作之间能够通过所述相变材料在所述非晶态以及所述中间态之间的可逆转变进行循环操作，进而通过所述非晶态以及所述中间态之间的阻值差异进行数据存储。
优选地，所述预操作为将所述相变存储器退火或施加脉冲作用，其中，所述脉冲作用包括光学脉冲、电学脉冲、磁场脉冲和压力脉冲。
优选地，所述中间态为能够稳定存在的亚稳态晶相。
优选地，所述相变材料为硫系化合物。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明通过对于相变存储器进行预操作使相变材料进入中间态，并且将相变材料在中间态以及非晶态之间进行可逆转变从而实现相变存储器的高低阻态循环，相较于传统的将相变材料在晶态以及非晶态之间操作的相变存储器，使用本发明的相变存储器有着显著降低的操作电流，操作电流被降低至可以与二端选通管集成从而实现三维堆叠的程度。本发明操作方案简单，适用于各种结构的相变存储器，且可以在不改变生产流程的前提下降低操作功耗，有着大规模应用的潜力，适用于工业生产和产品化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种相变存储器的擦写方法的流程示意图；
图2是本发明实施例采用的一种相变存储器沉积上电极材料后的结构示意图，图为剖面图；
图3是本发明实施例提供的一种相变存储器的衬底图的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种相变存储器沉积底电极后的俯视图；
图5是本发明实施例提供的一种相变存储器沉积绝缘层后的俯视图；
图6是本发明实施例提供的一种相变存储器进行小孔刻蚀后的俯视图；
图7是本发明实施例提供的一种相变存储器进行小孔刻蚀后的剖面图；
图8是本发明实施例提供的一种相变存储器沉积相变材料后的俯视图；
图9是本发明实施例提供的一种相变存储器沉积相变材料后的剖面图；
图10是本发明实施例提供的一种相变存储器沉积上电极材料后的俯视图；
图11是本发明实施例提供的一种不同预操作模式操作过程中的电压-电流图；
图12是本发明实施例提供的一种不同操作模式后进行擦操作中的电阻-电压图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
针对低功耗高密度存储的需求，本发明提出了一种相变存储器的擦写方法，重点应用于基于硫系相变材料特性的操作方式，并且在适用于三维堆叠的柱状结构相变存储器中实施了该操作方法。在实施例中所采用的柱状结构相变存储器包括刻蚀和薄膜沉积等工艺均与现代半导体制程有很好的工艺兼容性。由于本发明依靠操作方式而不是调整相变存储器结构，所以不需要对于生产流程作出任何变动从而降低成本，实现低功耗操作，具有很高的通用性以及实用价值。
硫系相变材料在加热过程中通常具有非晶态(组成物质的分子、原子或离子不成空间规律分布周期性排列的固体，为各向同性的)和晶态(组成物质的分子、原子或离子具有规则的空间排布，为各向异性的)两种较为稳定的状态，通过迅速的加热和迅速的降温，其在熔化后可以迅速的变成非晶态，在两种状态下其电阻率有着较大的差异。除此之外，还有不少相变材料在稳定的晶态以及非晶态之间存在着亚稳定的中间态。
其中，相变存储器的结构包括柱状结构，横向桥状结构，侧壁接触的环状电极结构及蘑菇型结构等，具体采用何种结构本发明实施例不做唯一性限定。
其中，预操作以及后续循环操作的方式包括电学操作、热学操作及激光操作等，具体采用何种操作方式本发明实施例不做唯一性限定。
本发明实施例提供了一种柱状结构相变存储器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在衬底上沉积制备底电极，电极厚度为1nm～100um，电极使用导电材料，包括金、铂、氮化钛等；
步骤二：在电极材料上沉积绝缘层，绝缘层具有绝缘的效果，材料包括SiO2，SiN等；
步骤三：在隔离层中形成小孔结构，小孔孔径大小为0.1nm～100um；
步骤四：绝缘小孔中沉积硫系相变材料，厚度为0.1nm～100um；
步骤五：在相变材料上方沉积电极材料，电极使用导电材料，包括金、铂、氮化钛等。
其中，在步骤四中，相变材料为硫系化合物，主要包括元素周期表中IVA、VA及VIA族元素的组合，如Ge-Sb-Te材料、Ge-Te材料、Sb-Te材料、Bi-Te材料、Ge-Se材料、Bi-Se材料、Ge-Sb材料、Si-Sb-Te材料及In-Sb-Te材料等。
以Ge-Sb-Te材料为例，Ge-Sb-Te材料在稳定的六方晶向以及非晶态之间便存在着立方晶相这一亚稳定的中间态。在本发明实施例中，通过预操作将相变存储器中的Ge-Sb-Te材料置于立方晶相这一中间态。然后，使用脉冲将相变存储器中的Ge-Sb-Te材料置于非晶态，从而实现擦操作。也可以使用脉冲将相变存储器中的Ge-Sb-Te材料重新置于中间态，从而实现写操作。在擦写操作中，相变存储器中的Ge-Sb-Te材料是在非晶态以及中间态之间发生可逆转变而不是非晶态以及晶态之间。通过这种操作方式，操作电流以及操作功耗得以降低。通过低电流写操作，使得Ge-Sb-Te材料进入能量态较高的中间态，随后对于该相变存储器施加电脉冲操作，使相变材料在中间态以及非晶态之间发生可逆转变，实现相变存储器的高低阻变化。在这一操作过程中，操作电流非常低，从而实现低功耗操作。
如图1所示是本发明实施例提供的一种相变存储器的擦写方法的流程示意图，包括：
对相变存储器进行预操作使相变存储器中的相变材料从初始的非晶态进入中间态，其中，中间态是介于非晶态以及稳定的晶态之间的亚稳态；
对相变存储器中的相变材料施加第一电脉冲，使相变材料进入非晶态，以实现擦操作；
对相变存储器中的相变材料施加第二电脉冲，使相变材料处于中间态，以实现写操作。
进一步地，上述擦操作与上述写操作之间能够通过相变材料在非晶态以及中间态之间的可逆转变进行循环操作，进而通过非晶态以及中间态之间的阻值差异进行数据存储。
进一步地，上述相变材料为硫系化合物。
进一步地，将相变存储器进行预操作的方式中，包括退火或施加脉冲作用，包括激光脉冲、电学脉冲、磁场脉冲和压力脉冲等。
本发明实施例还提供了一种适用于该操作模式的相变存储器，图2中所示为本发明实施例的一种柱状相变存储器剖面示意图，包括底电极，一层分隔隔离层，处在隔离层小孔中的相变材料，位于隔离层上方的电极材料。结合附图，对操作模式的详细解释如下：
本发明实施例中的衬底为硅衬底，可便于与CMOS工艺兼容的制造，尤其其低电流特性适用于与二端选通管集成从而实现三维堆叠。
在沉积态下，该相变存储器的阻值约为50MΩ。本实施例的预操作是使用电脉冲实现。对该相变存储器施加步长增长的电流脉冲，每次从0A到峰值均有100步。随着我们施加的扫描电流的峰值增大，该相变存储器的电阻也会降低，该过程的电压-电流曲线如图11所示。在该过程中，所使用的仪器为B1500A半导体器件分析仪，操作模式为直流扫描。
通过这一系列的扫描脉冲进行写操作后，数个相变存储器被置于不同的低阻态，并且将这些通过不同扫描电流获得不同阻值的单元分别命名为“A”“B”“C”，其中，经过500μA扫描电流获得的阻值为1.5KΩ的单元为单元“A”，经过3mA扫描电流获得的阻值为200Ω的单元为单元“B”，经过5mA扫描电流获得的阻值为100Ω的单元为单元“C”。
对于这三个经历了不同写操作获得的单元，分别使用完全相同的电脉冲序列进行了擦操作。
擦操作过程中的电阻-电压曲线如图12所示，可以看到，对于阻值较高的“A”单元，到达高阻态所需要的电压反而更低，对于阻值最低的“C”单元，需要5V的电脉冲才能实现擦操作。对于单元“A”，其操作电流仅为500μA左右，这一巨大的操作电压/电流差异是由特定的低电流写操作实现的，这一低电流写操作可以使得Ge-Sb-Te材料进入立方晶相，从而使其能量态更高，因此，将其转变到熔融态从而实现擦操作的能量水平便更低一些。
随后，对于单元“A”“B”“C”分别施加幅值为500μA、3mA以及5mA的扫描电流可以使得单元“A”“B”“C”重新回到预操作后的初始态。
特别地，针对单元“A”，在500μA幅值的预操作后，可以对相变存储器施加幅值为1V的电脉冲，使相变材料非晶化，从而实现擦操作；然后对相变存储单元施加500μA幅值的扫描电流，使相变材料重新进入中间态，从而实现写操作。在这一操作方案中，该相变存储器的操作电流从90MA/cm2降低至1MA/cm2，从而实现低功耗操作，并且极低的电流密度使其可以与选通管进行集成，使得三维集成变得可能。
其中，图2至图10为本发明实例实施提供的一种加工工艺过程以及操作过程：
步骤一，如图3和图4所示，利用直流磁控溅射的方式，在有着热生成氧化层的硅片100上生长一层10nm厚的Ti作为粘附层，避免铂从二氧化硅上脱落。随后溅射沉积100nm厚的铂作为底电极材料110。磁控溅射是物理气相沉积薄膜的一种常见工艺手段，通过在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程，而对于直流磁控溅射而言，其通常用于导体材料。
步骤二，如图5所示，利用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)沉积一层SiO2作为绝缘层120。使用PECVD是物理气相沉积薄膜的一种常见工艺手段，是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而被称为等离子体增强化学气相沉积PECVD。
步骤三，如图6和图7所示，利用电子束光刻(Electron beam lithography，EBL)在硅片上作出光刻图形，再利用反应增强等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)技术刻出小孔阵列130，其俯视图为图6所示，等离子体刻蚀技术是一种常见的干法刻蚀技术，原理是暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。
步骤四，如图8和图9所示，通过激光脉冲沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)沉积出150nm厚的Ge2Sb2Te5材料作为相变材料层140。PLD是利用激光将靶材上的原子融化并且气化，最终气化的原子在基片表面成核形成薄膜。
步骤五，如图10和图2所示，通过磁控溅射陈基础150nm厚的TiW材料作为上电极材料150。
图11为本发明实施例的通过不同电流扫描写操作，其过程的电流-电压图。可以从图11中看到，通过不同幅值的扫描电流，可以获得不同阻值的单元样品。
图12为对于这些经过不同写操作后的单元，施加完全相同的脉冲序列，从而实现擦操作。阻值越低的单元(使用了更大的电流进行写操作)需要更大的电压才能实现擦操作。
本发明实施例中基于较为常见的柱状结构相变存储器，进行了操作方式上的改进，实现了极低的操作电流，从而降低操作功耗。特别地，改进操作方案后，操作电流密度低至1MA/cm2，完全有潜力与现有的二端选通管进行集成，从而实现垂直方向上的堆叠进而提升存储密度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种相变存储器的擦写方法，其特征在于，包括：
对相变存储器进行预操作使所述相变存储器中的相变材料从初始的非晶态进入中间态，其中，所述中间态是介于所述非晶态以及稳定的晶态之间的亚稳态；
对所述相变存储器中的相变材料施加第一电脉冲，使所述相变材料进入非晶态，以实现擦操作；
对所述相变存储器中的相变材料施加第二电脉冲，使所述相变材料处于中间态，以实现写操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述擦操作与所述写操作之间能够通过所述相变材料在所述非晶态以及所述中间态之间的可逆转变进行循环操作，进而通过所述非晶态以及所述中间态之间的阻值差异进行数据存储。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预操作为将所述相变存储器退火或施加脉冲作用，其中，所述脉冲作用包括光学脉冲、电学脉冲、磁场脉冲和压力脉冲。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间态为能够稳定存在的亚稳态晶相。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述相变材料为硫系化合物。
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