CN112133825A - 一种高稳定性相变存储单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高稳定性相变存储单元及其制备方法，包括基底层、电极材料、介质隔离材料，相变材料区以及所述相变材料与所述介质隔离材料之间的过渡层材料。本发明所形成的相变存储单元可以抑制相变材料晶粒的长大，提升相变存储器的热稳定性，有效抑制相变材料中各元素的扩散和挥发，减小电阻漂移系数，降低了器件功耗。
Description
技术领域
本发明属于相变存储单元及其制备领域，特别涉及一种高稳定性相变存储单元及其制备方法。
背景技术
相变存储器(PCRAM)的原理是利用材料相变前后电阻率的巨大差异来实现数据存储。在PCRAM中，一个状态(即晶态)电阻率较低，另一个状态(即非晶态)的电阻率较高。逻辑“1”或逻辑“0”取决于相变材料所处的电阻态。PCRAM具有非易失性、循环寿命长、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照和制造工艺简单(与CMOS工艺兼容)等优点。与其他新型存储器相比，PCRAM被认为是有可能成为主流存储器的高密度存储技术。目前国际上相变存储器的研究热点有两个，一个是开展高密度的三维集成研究，实现3D PCRAM，应用于数据中心等高数据密度的领域，另一个是开展多值存储研究以实现类脑芯片并应用于AI领域。无论是3DPCRAM还是神经形态PCRAM芯片，对相变存储器的稳定性都提出了非常高的要求，三维堆叠需要经受更多的热处理工艺的考验，对热稳定性的要求更高，神经形态芯片需要实现稳定的多阻态，要求更低的电阻漂移系数。
在CN102779941A公开的低功耗相变存储单元及其制备方法中，所提到的一种获得低功耗特性的结构，其在上方引入一层过渡层，但是由于只限制了纵向两端的晶粒生长，而在横向处无任何限制，所以无法在三维方向上抑制相变层的晶粒生长，导致较差的稳定性。本发明中所提出的器件结构克服了现有技术的缺陷，同时达到能够在三维方向上对晶粒的生长产生限定作用和提高加热效率，提升相变存储器的热稳定性，降低了器件功耗，有效抑制相变材料中各元素的扩散和挥发，减小电阻漂移系数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高稳定性相变存储单元及其制备方法，克服现有技术无法达到同时对晶粒进行三维限定和提高加热效率目的的缺陷，通过采用介质隔离材料和过渡层材料将相变材料包裹在其中，可抑制相变材料的挥发，保持相变材料组份的稳定，降低器件的功耗。
本发明的一种相变存储单元，所述相变存储单元依次包括：基底层101、电极层102、介质隔离层103，所述介质隔离材料层103内设有相变材料区106，介质隔离材料层103和相变材料区106之间设有过渡材料层105。
所述相变材料区106表面设有上电极107。
所述基底层为半导体衬底，如硅衬底。
所述介质隔离层材料为氮化物介质材料；所述相变材料区的相变材料为具有三维限定能力小晶粒尺寸的相变材料。
三维限定能力的三维材料：在材料内部具有较难移动的元素或纳米结构处于晶界限制其晶粒快速生长，在高温下的小晶粒的尺寸能够处于20nm以下。
所述氮化物介质材料为Si3N4。
所述相变材料为Ta-Sb-Te、In-Sb-Te、In-Ge-Sb-Te、In-Sc-Sb-Te、Al-Ge-Sb-Te、Ga-Ge-Sb-Te、C-Ge-Sb-Te、Hf-Sb-Te、Ta-Sc-Sb-Te中的一种。
所述过渡层材料为WN，TaN、C中的一种。
所述过渡层材料的厚度为2-10nm；所述相变材料的厚度为20-100nm。
本发明提供一种相变存储单元的制备方法，包括：
(1)在基底上依次制备电极层和介质隔离材料层，然后再介质隔离材料层上刻蚀出需要形成相变材料层的区域；
(2)在所述需要形成相变材料层的区域先形成过渡材料层，然后再在过渡材料层表面形成相变材料区；
(3)在所述相变材料区表面制备电极。
所述步骤(1)中的介质隔离材料薄膜和步骤(2)中的相变材料区均通过采用溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、激光脉冲沉积法中的一种形成。
本发明提供一种所述相变存储单元的应用。
有益效果
本发明的高稳定性的相变存储单元及制备方法通过三维限定的形式，可提高器件的热稳定性，降低器件相变过程中的功耗，减小电阻漂移，能够提升器件稳定性、数据保持能力等性能。
本发明的高稳定性的相变存储单元及其制备方法通过采用介质隔离材料和过渡层材料将相变材料包裹在其中，可抑制相变材料的挥发，保持相变材料组份的稳定，从而保持器件性能的可靠和稳定。另一方面，采用具有三维限定能力的小晶粒尺寸的相变材料可以抑制相变材料晶粒的长大，在高温下的小晶粒的尺寸能够处于20nm以下，提升相变存储器的热稳定性，有效抑制相变材料中各元素的扩散和挥发，减小电阻漂移系数，降低了器件功耗。
附图说明
图1-图6为本发明的高稳定性的相变存储单元制备方法流程示意图；其中附图中硅衬底101，下电极102，介质隔离层103，过渡层105，相变材料区106，上电极107；
图7为C-Ge2Sb2Te5的本发明结构的相变存储器单元(高稳定性结构)与传统的相变存储单元(普通T型结构)的电压-电流对比曲线，均采用C-Ge2Sb2Te5相变材料，传统的相变存储单元采用蘑菇型结构，具体为：600nm的W下电极，100nm的相变层，10nm的TiN上电极层以及300nm的Al引出电极；
图8为C-Ge2Sb2Te5的相变存储器单元的电阻-电压曲线；
图9为C-Ge2Sb2Te5的相变存储器单元的循环次数曲线；
图10为C-Ge2Sb2Te5的相变存储器单元的电阻漂移曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1至图6所示，本发明的高稳定性的相变存储单元至少包括：由半导体衬底、下电极层、介质隔离层、过渡层、相变材料区、以及上电极，其中，所述相变材料为具有三维限定能力的相变材料。所述相变材料为Ta-Sb-Te、In-Sb-Te、In-Ge-Sb-Te、In-Sc-Sb-Te、Al-Ge-Sb-Te、Ga-Ge-Sb-Te、C-Ge-Sb-Te、Hf-Sb-Te、Ta-Sc-Sb-Te中的一种，厚度为20-100nm，过渡层位于介质隔离层与相变材料之间，所述过渡层材料为WN，TaN、C等材料，厚度为2-10nm。
实施例2
本实施例以利用磁控溅射法制备Si3N4介质材料包裹C-Ge2Sb2Te5相变材料单元。
具体步骤：
1)清洗一块(100)取向的半导体衬底(如硅衬底)，在硅衬底101上制备100nm厚的钨电极102(即下电极)，如图1所示。
2)在沉积有钨电极的衬底上沉积氮化硅层103(即介质隔离层)，厚度为100nm，如图2所示。
3)利用曝光-刻蚀工艺在氮化硅层103(上刻出直径200nm的区域，作为需要形成相变材料层的区域104，采用的曝光方法为电子束曝光，而刻蚀方法为反应离子刻蚀，如图3所示。
4)在硅衬底1上需要形成相变材料层的区域制备一层C过渡层，厚度为2-6纳米，结构如图4所示。
5)在过渡层105上制备C-Ge2Sb2Te5相变材料区106，结构如图5所示。
利用溅射法采用C-Ge2Sb2Te5合金靶制备C-Ge2Sb2Te5薄膜。制备过程中，本底真空小于10-5Pa，溅射时的氩气气压为0.2Pa，溅射功率：加在C-Ge2Sb2Te5合金靶上的为直流50瓦，溅射时间为10分钟，沉积厚度大致为100nm。
6)在沉积有C-Ge2Sb2Te5相变材料区106的衬底上沉积300nm铝电极107，如图6所示。从而形成C-RAM单元器件，其可作为数据存储的功能器件，也可作为采用电脉冲编程的硫系化合物随机存储器的组成单元，还可作为采用激光脉冲编程的存储光盘、或采用电子束编程的存储器、或采用其它能量粒子编程的存储器等的组成单元。
7)对C-RAM单元器件用脉冲源进行电学性能测试，所有测试都是基于常温进行测试。
如图8所示为C-Ge2Sb2Te5的相变存储器单元的电阻-电压曲线。在电脉冲作用下，所述相变存储器实现可逆相变。测试所用的电压脉冲为100纳秒、80纳秒、50纳秒、30纳秒和20纳秒。同时，在脉冲宽度变小时，单元器件的“擦”与“写”的操作电压没有明显增高，在写操作时，操作电压较小，操作电压与功耗在一定程度上是成正比的，说明功耗较小，表明采用的器件结有助于够降低功耗。值得注意的是，C-Ge2Sb2Te5材料制成的存储单元器件实现“擦写”操作，如图9所示，该器件无疲劳地反复擦写次数达到4×104。如图10所示，该器件的高低阻漂移系数分别为0.055和0.012，相比于GST的高阻漂移系数低，高低阻态具有较稳定的阻值，保证了器件应用所需的可靠性。C-Ge2Sb2Te5材料制备成芯片可以经受住高温考验，为410℃～450℃半小时，疲劳可达108。
综上所述，本发明提供了一种高稳定性的相变存储单元制备方法。所提供的相变单元可以同时达到在三维方向上对晶粒的生长产生限定作用和提高加热效率的作用，表现为图7中阈值电压减小，同时，图8中晶态到非晶态的电压明显较小，提升相变存储器的热稳定性，降低了器件功耗，有效抑制相变材料中各元素的扩散和挥发。采用C-Ge2Sb2Te5的相变存储器单元具有20ns的操作速度和较好的循环次数，并且在电压脉冲作用下实现可逆相变，且电学性能稳定，操作电压较低。因此，本发明所述的高稳定性的相变存储单元，与传统的器件单元相比，具有更高的加热效率和较高的稳定性。
上述的测试手段用来衡量材料的相变特性，包括相变温度、结晶活化能、相变前后的结构、阈值电流以及掺杂材料在材料中的分布。
需要说明的是，介质材料板薄膜与相变材料区的制备并非以溅射法为限，例如还可采用化学气相沉积法、激光脉冲沉积法等等。相变材料还可采用钽锑碲合金(Ta-Sb-Te)、或其它硫系化合物相变材料等，在此不再一一说明。
Claims (10)
1.一种相变存储单元，所述相变存储单元依次包括：基底层(101)、电极层(102)、介质隔离层(103)，其特征在于，所述介质隔离材料层(103)内设有相变材料区(106)，介质隔离材料层(103)和相变材料区(106)之间设有过渡材料层(105)。
2.根据权利要求1所述相变存储单元，其特征在于，所述相变材料区(106)表面设有上电极(107)。
3.根据权利要求1所述相变存储单元，其特征在于，所述介质隔离层材料为氮化物介质材料；所述相变材料区的相变材料为具有三维限定能力的相变材料。
4.根据权利要求3所述相变存储单元，其特征在于，所述氮化物介质材料为Si3N4。
5.根据权利要求3所述相变存储单元，其特征在于，所述相变材料为Ta-Sb-Te、In-Sb-Te、In-Ge-Sb-Te、In-Sc-Sb-Te、Al-Ge-Sb-Te、Ga-Ge-Sb-Te、C-Ge-Sb-Te、Hf-Sb-Te、Ta-Sc-Sb-Te中的一种。
6.根据权利要求1所述相变存储单元，其特征在于，所述过渡层材料为WN，TaN、C中的一种。
7.根据权利要求1所述相变存储单元，其特征在于，所述过渡层材料的厚度为2-10nm；所述相变材料的厚度为20-100nm。
8.一种相变存储单元的制备方法，包括：
(1)在基底上依次制备电极层和介质隔离材料层，然后再介质隔离材料层上刻蚀出需要形成相变材料层的区域；
(2)在所述需要形成相变材料层的区域先形成过渡材料层，然后再在过渡材料层表面形成相变材料区；
(3)在所述相变材料区表面制备电极。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的介质隔离材料薄膜和步骤(2)中的相变材料区均通过采用溅射法、化学气相沉积法、原子层沉积法、激光脉冲沉积法中的一种形成。
10.一种权利要求1所述相变存储单元的应用。
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