CN113241405A - 一种诱导硫系相变材料结晶的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子领域，具体涉及一种诱导硫系相变材料结晶的方法及其应用，具体将介质材料与硫系相变材料的界面接触，介质材料结构为八面体构型；介质材料在两者接触界面处为硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，以诱导相变材料加速结晶。进一步将该方法应用于现有相变存储器单元中，使得与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中至少有一侧介质材料层的介质材料结构为八面体构型。本发明使用结构为八面体构型的介质材料与相变材料层界面接触，该接触界面对于存储器单元器件是固有存在的，而无需额外引入，对整个半导体工艺的影响降到最低，且这种相变存储器单元设计没有对相变材料进行优化改性，避免由于相变材料优化从而带来其他一系列问题。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，更具体地，涉及一种诱导硫系相变材料结晶的方法及其应用。
背景技术
随着信息时代的到来，人们对存储速度提出了越来越高的要求，不断为非易失性存储器的研究和发展提出新的目标。于是，很多新型存储器件逐渐成为了学术界和产业界的研究热点，其中相变存储器由于器件结构相对简单，且具有高擦写速度、功耗低及抗辐照等优良的存储性能被国际半导体工业协会认为未来最有可能取代目前闪存存储器而成为存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。其基本原理是利用相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻实现信息的写入、擦除和读写操作。
鉴于产业界对于相变存储器商业化发展的结晶速度提出的迫切需要，目前大多数主要通过调控材料的比例或组分，或者对材料进行掺杂等一些方法来诱导相变材料的结晶，如采用Sc掺杂提高相变材料初始四元环的数量，从而提高相变材料的结晶速度，但该方法存在热稳定差、易氧化，材料不成熟且与当今的半导体工艺不兼容等一系列问题。
发明内容
本发明提供一种诱导硫系相变材料结晶的方法及其应用，用以解决现有加快相变材料结晶速度的方法存在稳定性差且不与当前半导体工艺不兼容的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种诱导硫系相变材料结晶的方法，将介质材料与硫系相变材料的界面相接触，其中，所述介质材料的结构为八面体构型，所述介质材料在两者接触的界面处为所述硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，以诱导所述相变材料加速结晶。
本发明的有益效果是：本发明提出一种不改变硫系相变材料原有特性的同时又可以提升相变材料结晶速度的方法，具体为将介质材料与硫系相变材料的界面相接触，介质材料的结构为八面体构型，与硫系相变材料的结构相同，这使得该介质材料在两者接触的界面处为硫系相变材料的结晶提供了晶核生长中心，从而使得硫系相变材料从该晶核中心开始生长，增加了硫系相变材料由非晶态转化为晶态过程中四元环的数量，由四元环构成的八面体结构也进一步增多，加速了硫系相变材料从四面体结构的非晶态转换为八面体结构的晶态，诱导硫系相变材料加速结晶。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述介质材料的熔点高于所述硫系相变材料的熔化温度。
本发明的进一步有益效果是：在相变材料发生晶态与非晶态的熔化转变时介质材料不会发生结构转变，不影响其能够长久地来诱导加速硫系相变材料结晶过程。
进一步，所述介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
本发明还提供一种相变存储器单元，所述存储器单元器件中，与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中，至少有一侧介质材料层的介质材料结构为八面体构型；在所述硫系相变材料结晶过程中，所述介质材料在两者接触的界面处为所述硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，加速所述相变材料结晶过程。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种相变存储器单元，使用结构为八面体构型的介质材料与相变层进行界面接触，即将现有相变存储器单元结构中与相变层接触的介质材料限定为与相变材料构型相同，也就是界面为器件固有存在的，而无需额外引入，只不过是选择八面体体构型的介质材料，这使得不仅在器件制备过程中不会增加额外的半导体工艺流程，而且介质材料能够在接触界面为硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，从而可以促进硫系相变材料由非晶态到晶态转变过程中四元环的数量的增多，其中硫系相变材料可以是任意成熟的硫系相变材料，使得改变以往从材料改性调控结晶的局限，使得介质界面成为调控硫系相变材料结晶速度的一项有效手段。因此，这种相变存储器单元设计无需对相变材料进行优化改性，避免由于相变材料优化从而带来其他一系列问题，且对整个半导体工艺的影响降到最低，并能够有效加速相变材料结晶速度。
进一步，所述介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
进一步，其结构为横向纳米结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触左、右接触的两层介质材料层；或者，其结构为竖直小孔型结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下接触的两层介质材料层；或者，其结构为介质材料包裹硫系相变材料的结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下、左、右接触的四层介质材料层。
本发明还提供一种如上所述的相变存储器单元的制备方法，在制备过程中，选择结构为八面体构型的介质材料，作为与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中其中至少一层的材料。
附图说明
图1为本发明实施例提供的介质材料TiO2及相变材料Ge2Sb2Te5的八面体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的TiO2衬底与SiO2衬底分别诱导相变材料结晶的效果对比示意图；
图3为本发明实施例提供的横向相变存储器单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的垂直小孔型相变存储器单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的介质材料包裹相变存储单元的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
100为半导体衬底，101为介质材料层，102为电极层，103为硫系化合物相变材料层，104为二氧化硅层。
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。
实施例一
一种诱导硫系相变材料结晶的方法，将介质材料与硫系相变材料的界面相接触，其中，介质材料的结构为八面体构型，介质材料在两者接触的界面处为硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，以诱导相变材料加速结晶。
由于目前大多数主要通过调控材料的比例或组分，或者对材料进行掺杂等一些方法来诱导相变材料的结晶，如采用Sc掺杂提高相变材料初始四元环的数量，从而提高相变材料的结晶速度，但该方法存在热稳定差、易氧化，材料不成熟且与当今的半导体工艺不兼容等一系列问题。因此，本发明提出选择任何成熟的相变材料不改变其原有特性的同时又可以提升结晶速度则至关重要。另外，考虑到相变器件不可避免的会受到相变材料与其接触的介质材料的界面效应的影响，因此不再保持其本身固有的特性，影响器件性能。
本实施例提出一种不改变硫系相变材料原有特性的同时又可以提升相变材料结晶速度的方法，具体为将介质材料与硫系相变材料的界面相接触，介质材料的结构为八面体构型，与硫系相变材料的结构相同(如图1所示的介质材料TiO2及Ge2Sb2Te5材料的八面体结构)，这使得该介质材料在两者接触的界面处为硫系相变材料的结晶提供了晶核生长中心，从而使得硫系相变材料从该晶核中心开始生长，增加了硫系相变材料由非晶态转化为晶态过程中四元环的数量，由四元环构成的八面体结构也进一步增多，加速了硫系相变材料从四面体结构的非晶态转换为八面体结构的晶态，诱导硫系相变材料加速结晶。
为了更好的说明本实施例效果，现给出如下验证：
如图2所示的TiO2衬底与SiO2衬底诱导相变材料结晶效果的对比示意图，下面以该示意图来阐释TiO2衬底诱导相变材料加速结晶的方法。通过施加相同的脉冲(同样的脉冲幅值，同样的脉冲宽度)可以看出TiO2衬底由于其为八面体结构，与相变材料接触界面可以提供晶核生长中心从而可以完成结晶，而SiO2衬底则由于为四面体构型，其界面不能为相变材料提供一定的晶核生长中心从而在该脉冲条件下不能完成结晶，需要更长的脉冲宽度才能完成结晶。同样地，当介质材料为同为八面体构型的氧化钇、氧化钪或者氧化铝时，介质材料会在界面处为相变材料提供晶核生长中心，同样促进相变材料完成结晶过程。
优选的，该介质材料选择熔点较相变材料熔化温度高的物质，在相变材料发生晶态与非晶态的熔化转变时介质材料不会发生结构转变。
优选的，介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
实施例二
一种相变存储器单元，该存储器单元器件中，与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中，至少有一侧介质材料层的介质材料结构为八面体构型；在硫系相变材料结晶过程中，介质材料在两者接触的界面处为硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，加速相变材料结晶过程。
在现有存储器单元结构中存在与相变材料接触的介质材料，即介质材料与相变材料接触的界面本身是存在的，考虑到相变材料结晶的速度和所需施加的电压是相变功能层的核心指标，决定了器件的速度、功耗及数据保持能力等一系列重要属性。本实施例从提高相变材料结晶速度角度出发，通过介质材料与相变材料介质界面(接触的界面)提供晶核生长的中心，该方法可以选择任何成熟的相变材料，例如GeSbTe系列、GeSb系列、GeTe系列与单元素Sb系列等，并可以使得利用介质材料与相变材料的介质界面成为调控器件性能的有效手段。
因此，本实施例提供的一种相变存储器单元，使用结构为八面体构型的介质材料与相变层进行界面接触，即将现有相变存储器单元结构中与相变层接触的介质材料限定为与相变材料构型相同，也就是界面为器件固有存在的，而无需额外引入，只不过是选择八面体体构型的介质材料，这使得不仅在器件制备过程中不会增加额外的半导体工艺流程，而且介质材料能够在接触界面为硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，从而可以促进硫系相变材料由非晶态到晶态转变过程中四元环的数量的增多，其中硫系相变材料可以是任意成熟的硫系相变材料，使得改变以往从材料改性调控结晶的局限，使得介质界面成为调控硫系相变材料结晶速度的一项有效手段。因此，这种相变存储器单元设计无需对相变材料进行优化改性，避免由于相变材料优化从而带来其他一系列问题，对整个半导体工艺的影响降到最低，且能够有效加速相变材料结晶速度。
需要说明的是，上述介质材料具有高电热绝缘性、禁带宽度大，且介质材料的熔点高于所述硫系相变材料的熔化温度。该介质材料选择电热绝缘性较好，禁带宽度较大的物质，可以满足其绝缘介质特性，不会影响器件的性能。另外，该介质材料选择熔点较相变材料熔化温度高的物质，在相变材料发生晶态与非晶态的熔化转变时介质材料不会发生结构转变，且介质材料本身不是功能材料，因此在该过程中不会发生结构的转变，也不会产生硫系相变材料由于结构优化后高低阻值切换而带来的失效问题将影响降到最低。
优选的，介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
优选的，其结构为横向纳米结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触左、右接触的两层介质材料层；或者，其结构为竖直小孔型结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下接触的两层介质材料层；或者，其结构为介质材料包裹硫系相变材料的结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下、左、右接触的四层介质材料层。
基于前述，当相变材料具有多个接触界面，所述接触界面包括相变材料层分别与上下或者左右介质材料层的接触界面，并且接触界面为器件本身固有的，而无需额外引入，其中所述界面可以诱导相变材料加速结晶。
实施例三
一种如实施例二所述的相变存储器单元的制备方法，在制备过程中，选择结构为八面体构型的介质材料，作为与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中其中至少一层的材料。
以下给出具体示例：
如图3所示的一横向纳米结构相变存储器单元的结构，制作步骤为：
步骤1：在晶向为<100>、表面有一下介质材料层101的硅衬底(即半导体衬底100)上进行光刻，该下介质材料层101的材料为氧化钛材料，再在光刻后的衬底上面利用磁控溅射镀膜方法沉积一层电极层102，经过剥离，得到对称的左右两个电极，该左右电极厚度为50nm，该左右电极材料为钛和铂或铬和金；
步骤2：在长有电极的衬底上进行电子束曝光，光刻出宽度为50-200nm，长度为500nm-2μm的横向纳米桥结构，随后利用磁控溅射镀膜的方法在曝光后的衬底上沉积一层硫系化合物相变材料层103，随后进行去胶操作得到相变材料横向纳米桥结构，该硫系化合物相变材料层103的材料为Ge2Sb2Te5，该硫系化合物相变材料层103的厚度为50-100nm；
步骤3：随后在衬底上再进行光刻，再在光刻后的衬底上面用磁控溅射镀膜的方法沉积一层上介质材料层101，经过剥离，得到覆盖在硫系相变材料层103表面的上介质材料层101，该上介质材料层101厚度为50-100nm，该上介质材料层101材料为氧化钛材料；
同样地，如图4所示的垂直小孔型相变存储器单元的结构，制作步骤如下：
步骤1：在晶向为<100>、表面有一SiO2层(即二氧化硅层104)的硅衬底(半导体衬底100)上通过磁控溅射的方法沉积一层电极层102，该电极厚度为100nm，该电极材料为Ti/Pt或TiW；
步骤2：在长有电极的衬底上通过磁控溅射沉积一介质材料层108，其中该介质材料层101为氧化钛，该介质材料层的厚度为100nm；
步骤3：在长有介质材料的衬底上进行电子束曝光，光刻出半径为125-500nm的通孔结构，随后利用刻蚀的方法得到深度为100nm的小孔；
步骤4：随后在衬底上利用磁控溅射镀膜的方法依次沉积硫系化合物相变材料层103和电极材料层102，该硫系化合物相变材料层为Ge2Sb2Te5，该硫系化合物相变材料层103的厚度为100nm，该电极层102的材料为Pt，该电极层102厚度为100nm，经过剥离即可完成制备。
同样地，如图5所示的介质材料包裹相变存储器单元的结构，制作步骤如下：
步骤1：在晶向为<100>、表面有一下介质材料层101的硅衬底上进行光刻，该介质材料层101的材料为氧化钛材料，再在光刻后的衬底上面利用磁控溅射镀膜方法沉积一层介质材料层101，经过剥离，得到对称的左右两个电极，该介质材料层101的厚度为100nm，该介质材料为氧化钛材料；
步骤2：在长有介质材料的衬底上进行电子束曝光，光刻出宽度为50-200nm，长度为500nm-2μm的横向纳米桥结构，随后利用磁控溅射镀膜的方法在曝光后的衬底上沉积一层硫系化合物相变材料层103，随后进行去胶操作得到相变材料横向纳米桥结构，该硫系化合物相变材料层103为Ge2Sb2Te5，该硫系化合物相变材料层103的厚度为50-100nm；
步骤3：随后在衬底上再进行光刻，再在光刻后的衬底上面用磁控溅射镀膜的方法沉积一层上介质材料层101，经过剥离，得到覆盖在硫系相变相变材料层103表面的上介质材料层101，该上介质材料层101厚度为50-100nm，该上介质材料层101材料为氧化钛材料；
上述结构中与硫系相变材料接触的介质材料有上下或者左右电热绝缘材料，并且其包裹在相变材料周围，通过上下或者左右介质材料为八面体构型与相变材料相同，其接触界面可以为相变材料提供晶核生长中心，从而促进相变材料由非晶态到晶态转变过程中四元环的数量的增加，诱导相变材料加速结晶。
综上所述，本发明涉及一种使用介质材料来诱导相变材料加速结晶的方法，而这种方法可通过结构为八面体构型的介质材料层与相变材料层接触的界面为相变材料提供晶核生长中心，促进相变材料由非晶态到晶态过程中四元环的数量的增加，从而可以诱导相变材料加速结晶。本发明中相变材料可以选择任意成熟的材料，有效克服了现有通过材料改性加速结晶过程中带来的材料不成熟，容易氧化，相变材料改性所导致高低阻切换时引起的失效、与半导体工艺不兼容等一系列问题，并且与相变材料接触的界面为器件本身固有存在的，而不是额外引入的，介质材料在相变材料高低阻值切换时不会发生结构变化，因此对于相变存储器的产业化发展具有较高的商用价值。
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 (7)
1.一种诱导硫系相变材料结晶的方法，其特征在于，将介质材料与硫系相变材料的界面相接触，其中，所述介质材料的结构为八面体构型，所述介质材料在两者接触的界面处为所述硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，以诱导所述相变材料加速结晶。
2.根据权利要求1所述的一种诱导硫系相变材料结晶的方法，其特征在于，所述介质材料的熔点高于所述硫系相变材料的熔化温度。
3.根据权利要求2所述的一种诱导硫系相变材料结晶的方法，其特征在于，所述介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
4.一种相变存储器单元，其特征在于，所述存储器单元器件中，与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中，至少有一侧介质材料层的介质材料结构为八面体构型；在所述硫系相变材料结晶过程中，所述介质材料在两者接触的界面处为所述硫系相变材料的结晶提供晶核生长中心，加速所述相变材料结晶过程。
5.根据权利要求4所述的一种相变存储器单元，其特征在于，所述介质材料选自氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的一种或多种。
6.根据权利要求4或5所述的一种相变存储器单元，其特征在于，其结构为横向纳米结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触左、右接触的两层介质材料层；或者，其结构为竖直小孔型结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下接触的两层介质材料层；或者，其结构为介质材料包裹硫系相变材料的结构，则与硫系相变材料层接触的所有介质材料层为与硫系相变材料层接触上、下、左、右接触的四层介质材料层。
7.一种如权利要求4至6任一项所述的相变存储器单元的制备方法，其特征在于，在制备过程中，选择结构为八面体构型的介质材料，作为与硫系相变材料层所接触的所有介质材料层中其中至少一层的材料。
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