CN113921709B - 一种相变存储器单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子技术领域，具体公开了一种相变存储器单元，通过高电热绝缘的非晶介质材料与八面体构型的晶态介质材料叠层生长形成介质层，其中八面体构型的晶态介质材料与相变材料结构相同，在与相变材料接触的界面为相变材料提供晶核生长中心，诱导相变材料加速结晶，而与高电热绝缘的非晶介质材料叠层生长，则可避免晶态介质材料电阻过低而带来发漏电问题，从而在不失结晶速度的前提下起到更好的绝缘作用，进而更好地防止漏电。

Description

一种相变存储器单元

技术领域

本发明属于微电子领域，更具体地，涉及一种相变存储器单元。

背景技术

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。

然而随着闪存技术的快速发展，也对相变存储器的速度提出了越来越高的要求，目前针对于提升相变存储器的速度主要一方面对于相变材料进行掺杂，通过掺杂元素提供晶核减少成核的随机性来提升结晶速度；另一方面与相变材料接触的介质材料在接触界面处为相变材料提供晶核中心从而也在一定程度上提升了结晶速度。

后者除了能够提升结晶速度，还具有其它额外优势，例如结构为八面体构型的介质材料与相变材料层的接触界面，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。因此，对该提升结晶速度的方法进行进一步改进，以提高该方法的应用价值，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种相变存储器单元，其目的在于在提高相变材料结晶速度的同时避免漏电现象。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种相变存储器单元，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，一方面其介质材料为八面体构型的晶态介质材料，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；另一方面其上层叠有电热绝缘的非晶态介质材料，用于减少漏电。

进一步，所述非晶态介质材料独立选自：氧化硅、氮化硅中的任意一种或任意组合。

进一步，所述晶态介质材料独立选自：氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的任意一种或任意组合。

进一步，所述硫系相变材料插塞柱为GeSbTe、GeTe、SbTe、BiTe、单质Sb中的任意一种或任意组合并掺入S、N、O、Cu、Si、Cr、Y、Sc、Ti、Ni中至少一种元素所形成的混合物。

进一步，包括：

一衬底；

一下电极，所述下电极设置在所述衬底上；

一电热叠层介质材料层，包括介质诱导层及电热隔离层，其中介质诱导层为八面体构型的晶态介质材料；电热隔离层为电热绝缘的非晶态介质材料；该电热叠层介质材料层位于所述衬底上，所述电热叠层介质材料层中间有一个或多个小孔，小孔底部为所述下电极；

一硫系相变材料插塞柱，所述硫系相变材料插塞柱位于所述电热叠层介质材料层包裹的所述小孔中，所述硫系相变材料插塞柱底部形成于所述下电极顶部；

一上电极，该上电极位于所述电热叠层绝缘介质材料层上，所述上电极设置在所述硫系相变材料插塞柱的顶部。

进一步，所述电热叠层介质材料层由多层晶态介质材料层和非晶态介质材料层交替层叠构成。

进一步，每层晶态介质材料层和每层非晶态介质材料层的层厚均大于10nm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供一种新型的具有叠层介质材料层的相变存储器，高电热绝缘的非晶介质材料与八面体构型的晶态介质材料交替生长，获得叠层介质材料层，本发明所提供的叠层介质材料层包括介质诱导层及电热绝缘层，其中介质诱导层通过八面体构型的晶态介质材料为相变材料在界面处提供晶核生长的中心，在一定程度上诱导结晶，而与高电热绝缘的非晶介质材料叠层生长，则可避免晶态介质材料电阻过低而带来漏电问题，从而在不失结晶速度的前提下起到更好的绝缘作用进而更好的防止漏电。

(2)本发明提出采用非晶的氧化硅或者氮化硅可以增大结构中整体介质材料的电阻。存储单元中本来存在的介质材料是起到一个保护作用，防止单元与单元之间产生热串扰，本发明将介质材料设置为八面体构型的，在不额外引入新的材料层的同时加速相变材料结晶速度。然而如果介质材料的电热绝缘特性不足以满足所需要的高电阻，在操作过程中会分走相变材料操作的电压形成一个并联通道，因此，需要提高电阻率。本发明提出采用叠层介质材料和增大电热绝缘特性来避免漏电问题。

(3)叠层介质材料层总厚度控制在与相变材料插塞柱相同，每层晶态介质材料层和每层非晶态介质材料层的层厚均大于10nm，10nm以上一般可以满足其所提到的两种介质材料各自的加速结晶特性和绝缘特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种垂直小孔型纳米结构的相变存储器单元；

图2为本发明实施例提供的一种横向纳米结构的相变存储器单元；

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为硅衬底，101为底电极/左电极，102为高电热绝缘特性较好的介质材料，103为八面体构型晶态介质材料，104为相变材料插塞住，105为上电极/右电极。

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。

在进行相变存储器操作时上电极到下电极或者左电极到右电极的电学操作过程中会产生较大的电流操作，本发明发现由于用于提高结晶速度的介质材料必须为八面体晶态构型，导致介质材料的电阻率较小，不够起到电绝缘的作用，就会在相变存储器操作时产生一定的漏电现象。因此本发明提出如下改进方案。

实施例一

一种相变存储器单元，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，一方面其介质材料为八面体构型的晶态介质材料，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；另一方面其上层叠有电热绝缘的非晶态介质材料，用于减少漏电。

需要说明的是，相变存储器单元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，相变存储器单元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，相变存储器单元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。图1示出了垂直小孔型纳米结构；图2示出了横向纳米结构。

本实施例提供一种新型的具有叠层介质材料层的相变存储器，高电热绝缘的非晶介质材料与八面体构型的晶态介质材料交替生长，获得叠层介质材料层，本发明所提供的叠层介质材料层包括介质诱导层及电热绝缘层，其中介质诱导层通过八面体构型的晶态介质材料为相变材料在界面处提供晶核生长的中心，在一定程度上诱导结晶，而与高电热绝缘的非晶介质材料叠层生长，则可避免晶态介质材料电阻过低而带来漏电问题，从而在不失结晶速度的前提下起到更好的绝缘作用进而更好的防止漏电。现有的叠层介质材料主要通过氧化硅与氮化硅等使相变材料的热量更加集中从而起到减小功耗方面的影响。

优选的，本发明提供一种新型的具有叠层介质材料层的相变存储器结构，包括依次设置的：

一衬底，具体可为半导体衬底；

一下电极，所述下电极设置在所述衬底上；该下电极沉积在衬底上，电极材料可以是导电性良好的金属或非金属，如钛铂氮化钛氮化钽钛钨合金钨等，该下电极的厚度为100-500nm；

一电热叠层介质材料层，包括介质诱导层及电热隔离层，其中介质诱导层为八面体构型晶态介质材料，在与相变材料接触界面为相变材料提供晶核生长中心，从而诱导结晶；电热隔离层为电阻率较高的介质材料，可以起到更好的绝缘作用，减小漏电，其中该电热叠层介质材料层位于所述衬底上，所述电热叠层介质材料层中间有一个或多个小孔，小孔底部为所述下电极；

一硫系相变材料插塞柱，所述硫系相变材料位于所述电热叠层介质材料层包裹的所述小孔中，所述硫系相变材料插塞柱底部形成于所述下电极顶部；

一上电极，该上电极位于所述电热叠层绝缘介质材料层上，所述上电极设置在所述硫系相变材料插塞柱的顶部。

其中，所述电热叠层介质材料层平面尺寸小于所述衬底，使得所述下电极部分暴露出来。

为了更好的说明本发明，现给出如下示例。

如图1所示，本发明提供一种新型的具有叠层介质材料层的相变存储器，包括依次设置的：

一衬底100，具体为半导体衬底

一下电极101，该下电极沉积在衬底100上，电极材料可以是导电性良好的金属或非金属，如钛、铂、氮化钛、氮化钽、钛钨合金、钨等，该下电极101的厚度为100-500nm；

一电热叠层介质材料层，由高电热绝缘非晶介质材料102及八面体构型晶态介质材料103交替生长而成，该电热叠层介质材料制备于下电极101的衬底100上，高电热绝缘非晶介质材料102可以是氧化硅、氮化硅及其化合物任意一种或任意组合，高电热绝缘非晶介质材料102的厚度是50-60nm，八面体构型晶态介质材料103可以是氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝及其化合物任意一种或任意组合，八面体构型晶态介质材料103的厚度是10-20nm，该电热叠层介质材料层略小于衬底100，使得下电极101有一部分可以暴露出来，该电热叠层介质材料层中间有一个或多个小孔，小孔底部为下电极101；

一硫系相变材料插塞柱104，该硫系相变材料插塞柱104位于电热叠层介质材料层102及103包裹的所述小孔中，该硫系相变材料插塞柱104底部形成于所述下电极101顶部，该硫系相变材料插塞柱104的厚度为100-200nm，该硫系相变材料插塞柱104可以是GeSbTe、GeTe、SbTe、BiTe、单质Sb及其化合物中的任意一种或任意组合，并掺入S、N、O、Cu、Si、Cr、Y、Sc、Ti、Ni中至少一种元素形成的混合物；

一上电极105，该上电极105位于所述硫系相变材料插塞柱104的顶部，该电极材料可以是导电性良好的金属或非金属，如钛、铂、氮化钛、氮化钽、钛钨合金、钨等，该上电极105的厚度为100-500nm。

上述具有叠层介质材料层的相变存储器的制备方法包括以下步骤：

1)提供一半导体衬底，

2)以该衬底的上表面为基面，在衬底上利用磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层下电极；

3)制备电热叠层介质材料，通过非晶态的高电热绝缘介质材料与晶态的八面体构型介质材料交替生长得到叠层介质材料；

4)对电热叠层介质材料进行光刻，随后进行刻蚀，使底部电极部分暴露并形成小孔；

5)向所述小孔中填充硫系相变材料插塞柱，然后通过抛光工艺使得填充更为平齐；最后沉积一层上电极，随后剥离即完成叠层介质材料层的相变存储器的制备。

本发明叠层介质材料层的交替层数不限制。另外，叠层介质材料层总厚度控制在与相变材料插塞柱相同，每层晶态介质材料层和每层非晶态介质材料层的层厚均大于10nm，10nm以上一般是可以满足其所提到的两种介质材料各自的加速结晶特性和绝缘特性，根据经验得到。

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)

1.一种相变存储器单元，其特征在于，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，一方面其介质材料为八面体构型的晶态介质材料，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；另一方面其上层叠有电热绝缘的非晶态介质材料，用于减少因晶态介质材料电阻过低所带来的漏电。

2.如权利要求1所述的一种相变存储器单元，其特征在于，所述非晶态介质材料独立选自：氧化硅、氮化硅中的任意一种或任意组合。

3.如权利要求1所述的一种相变存储器单元，其特征在于，所述晶态介质材料独立选自：氧化钛、氧化钇、氧化钪、氧化铝中的任意一种或任意组合。

4.如权利要求1所述的一种相变存储器单元，其特征在于，所述硫系相变材料插塞柱为GeSbTe、GeTe、SbTe、BiTe、单质Sb中的任意一种或任意组合并掺入S、N、O、Cu、Si、Cr、Y、Sc、Ti、Ni中至少一种元素所形成的混合物。

5.如权利要求1所述的一种相变存储器单元，其特征在于，包括：

一衬底；

一下电极，所述下电极设置在所述衬底上；

一电热叠层介质材料层，包括介质诱导层及电热隔离层，其中介质诱导层的介质材料为所述八面体构型的晶态介质材料；电热隔离层的介质材料为所述电热绝缘的非晶态介质材料；该电热叠层介质材料层位于所述衬底上，所述电热叠层介质材料层中间有一个或多个小孔，小孔底部为所述下电极；

一硫系相变材料插塞柱，所述硫系相变材料插塞柱位于所述电热叠层介质材料层包裹的所述小孔中，所述硫系相变材料插塞柱底部形成于所述下电极顶部；

一上电极，该上电极位于所述电热叠层绝缘介质材料层上，所述上电极设置在所述硫系相变材料插塞柱的顶部。

6.如权利要求5所述的一种相变存储器单元，其特征在于，所述电热叠层介质材料层由多层晶态介质材料层和非晶态介质材料层交替层叠构成。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种相变存储器单元，其特征在于，每层晶态介质材料层和每层非晶态介质材料层的层厚均大于10nm。