CN114843395A - 相变存储单元、相变存储器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了相变存储单元、相变存储器及电子设备，属于半导体存储技术领域。该相变存储单元包括相变薄膜；相变薄膜包括多层相变材料层和多层导电隔绝层，相变材料层与导电隔绝层交替层叠；相变材料层采用相变材料形成，导电隔绝层采用导电晶体材料形成；相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，相变材料的熔点小于导电晶体材料的熔点。相变材料层以导电晶体材料层作为结晶生长模板，利于显著降低结晶时间；导电隔绝层保持稳定的晶体结构，有效阻止相变材料在电场方向上的元素迁移。
Description
技术领域
本公开涉及半导体存储技术领域，特别涉及相变存储单元、相变存储器及电子设备。
背景技术
相变存储器以相变材料作为存储介质，相变材料能够在晶态和非晶态之间进行可逆转变，相变存储器利用相变材料在非晶态和晶态时对应的高、低电阻率的差异来实现数据“0”和“1”的存储，相变材料的选择对于相变存储器的读写速度具有重要的影响。
一种相关技术提供了一种超晶格相变材料，其由多层GeTe薄膜和多层Sb2Te3薄膜交替叠合而成，具有较高的相变速度，利于提高相变存储器的读写速度。但是，相关技术提供的超晶格相变材料，在作业过程中，Te元素和Sb元素向不同的电场方向迁移，使得相变材料内部形成富Sb区域和富Te区域，这样不利于超晶格相变材料的反复擦写，容易降低其循环寿命。在另外一种相关技术中，虽然可以通过在相变材料层加一层高熔点的隔绝层，阻碍相变材料相变过程中的元素扩散，但是相变层和组织扩散层之间晶格失配度大于等于11％，限制了超晶格的相变速度的提升。
发明内容
鉴于此，本公开提供了相变存储单元、相变存储器及电子设备，能够解决上述技术问题。
具体而言，包括以下的技术方案：
一方面，本公开实施例提供了一种相变存储单元，所述相变存储单元包括相变薄膜；
所述相变薄膜包括：多层相变材料层和多层导电隔绝层，所述相变材料层与所述导电隔绝层交替层叠；
所述相变材料层采用相变材料形成，所述导电隔绝层采用导电晶体材料形成；
所述相变材料与所述导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，并且，所述相变材料的熔点小于所述导电晶体材料的熔点。
本发明实施例提供的相变材料与导电晶体材料晶格失配度小于或等于10％，且所述相变材料的熔点小于所述导电晶体材料的熔点，可以在阻碍相变材料在相变过程中的元素扩散，同时使相变材料与所述导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，利于提高超晶格的相变速度。
在一些可能的实现方式中，所述相变材料与所述导电晶体材料的晶格失配度小于或等于5％。
相变材料与导电晶体材料两者之间存在的这种较小的晶格常数差异，能够为相变材料的结晶提供动力，利于进一步提高相变材料结晶时形成的晶态结构的稳定性。
在一些可能的实现方式中，所述相变材料层的厚度为1nm-10nm；
所述导电隔绝层的厚度为1nm-10nm。
在一些可能的实现方式中，所述相变材料层与所述导电隔绝层交替层叠的循环周期为2-50。
使相变材料层的厚度和导电隔绝层的厚度，以及使相变材料层与导电隔绝层交替层叠的循环周期在上述范围内，以适用于相变存储单元。
在一些可能的实现方式中，所述相变材料为Ge-Te二元化合物、SbxTe1-x(0.8<x≤1)、Bi-Te二元化合物或者Ge-Sb-Te三元化合物；
所述导电晶体材料为ScTe、Sc2Te3、PtTe2、Pt2Te3、PdTe2、MoTe2、Cr2Te3、SiTe2、Si2Te3、NiTe2、或者CuTe2。
上述种类的导电晶体材料具有稳定的晶体结构，能够有效阻止了相变材料在电场方向上的元素迁移，同时，在保持导电晶体材料与相变材料的晶格失配度小于或等于10％时，相变材料层可以以导电晶体材料层作为结晶生长模板，利于显著降低结晶时间，提高相变材料的相变速度。
在一些可能的实现方式中，所述相变存储单元还包括：衬底、底电极、顶电极、绝缘隔热层；
所述底电极位于所述衬底的表面；
所述相变薄膜连接于所述底电极和所述顶电极之间；
所述绝缘隔热层包覆于所述相变薄膜的侧部。
在一些可能的实现方式中，所述相变存储单元为限制型结构；
所述顶电极、所述相变薄膜、所述底电极、所述衬底顺次接触。
该类限制型结构的相变存储单元，通过减小相变材料层的体积来降低RESET操作所需要的电流，利于获得更强的稳定性。
在一些可能的实现方式中，所述相变存储单元为限制型结构；
所述相变存储单元还包括：加热电极；
所述顶电极、所述相变薄膜、所述加热电极、所述底电极、所述衬底顺次接触。
该类限制型结构的相变存储单元，通过减小相变材料层的体积来降低RESET操作所需要的电流，利于获得更强的稳定性。并且，通过使用加热电极来与相变薄膜的底部表面接触，能够使相变材料层获得更高的发热效率，减少热散，利于提高相变速度。
在一些可能的实现方式中，所述相变存储单元为T型结构；
所述衬底上具有通孔，所述底电极位于所述通孔内；
所述顶电极、所述相变薄膜、所述衬底顺次接触，并且，所述相变薄膜还与所述底电极连接。
该类T型结构的相变存储单元，能够减小底电极与相变材料层的接触面积，利于提高热阻和热效率。
另一方面，本公开实施例还提供了一种相变存储器，所述相变存储器包括多个上述任一种相变存储单元。
基于使用了上述相变存储单元，使得本公开实施例提供的相变存储器至少具有以下优点：能够实现高密度多值存储，稳定性高、重复性好、读写速度快等。
再一方面，本公开实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器及上述的相变存储器，所述相变存储器用于存储所述处理器所访问的数据。
附图说明
图1为本公开实施例提供的一示例性相变薄膜的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的一示例性GeTe/ScTe相变薄膜的晶体结构模型示意图；
图3为本公开实施例提供的一示例性限制型结构的相变存储单元的第一制备步骤示意图；
图4为本公开实施例提供的一示例性限制型结构的相变存储单元的第二制备步骤示意图；
图5为本公开实施例提供的一示例性限制型结构的相变存储单元的第三制备步骤示意图；
图6为本公开实施例提供的一示例性限制型结构的相变存储单元的第四制备步骤示意图；
图7为本公开实施例提供的一示例性限制型结构的相变存储单元的结构示意图；
图8为本公开实施例提供的另一示例性限制型结构的相变存储单元的一制备步骤示意图；
图9为本公开实施例提供的另一示例性限制型结构的相变存储单元的另一制备步骤示意图；
图10为本公开实施例提供的另一示例性限制型结构的相变存储单元的结构示意图；
图11为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第一制备步骤示意图；
图12为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第二制备步骤示意图；
图13为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第三制备步骤示意图；
图14为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第四制备步骤示意图；
图15为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第五制备步骤示意图；
图16为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的第六制备步骤示意图；
图17为本公开实施例提供的一示例性T型结构的相变存储单元的结构示意图；
图18为本公开实施例提供的一示例性相变存储单元的一类应用场景示意图；
图19为本公开实施例提供的一示例性相变存储单元的另一类应用场景示意图。
附图标记分别表示：
1-相变薄膜，101-相变材料层，102-导电隔绝层，
2-衬底，201-通孔，
31-底电极，32-顶电极，
4-绝缘隔热层，
401-隔热孔，
5-加热电极，
100-多值相变存储器，
200-动态随机存取存储器，
300-缓存，
400-处理器，
500-固态硬盘。
具体实施方式
为使本公开的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
相变存储器是一种固态半导体非易失性存储器，具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低等优点，被广泛用于半导体存储器等产品。相变存储器以相变材料作为存储介质，相变材料能够在晶态和非晶态之间进行可逆转变，相变存储器利用相变材料在非晶态和晶态时对应的高、低电阻率的差异来实现数据“0”和“1”的存储。
相变存储器工作过程包括：SET过程和RESET过程。SET过程指的是：施加一个宽而弱的电脉冲对相变材料进行加热，使相变材料的温度升高至结晶温度和熔化温度之间，相变材料结晶为有序状态，形成具有较低电阻率的晶态，以实现数据“0”的存储。RESET过程指的是，施加一个窄而强的电脉冲对相变材料进行加热，使相变材料的温度升高到熔化温度以上，融化为无序状态，随后经过一个快速冷却的淬火过程(＞109K/s)，相变材料由熔融态直接进入具有较高电阻率的非晶态，以实现数据“1”的存储。
可见，相变材料的相变速度直接影响了相变存储器的读写速度，相关技术提供了一种超晶格相变材料，其由多层GeTe薄膜和多层Sb2Te3薄膜交替叠合而成，该类超晶格相变材料具有较高的相变速度。
然而，相关技术提供的超晶格相变材料，在作业过程中，Te元素和Sb元素向不同的电场方向迁移，使得相变材料内部形成富Sb区域和富Te区域，这样不利于超晶格相变材料的反复擦写，容易降低其循环寿命。
本公开实施例提供了一种相变存储单元，该相变存储单元包括相变薄膜1，如附图1所示，该相变薄膜1包括：多层相变材料层101和多层导电隔绝层102，相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠；
相变材料层101采用相变材料形成，导电隔绝层102采用导电晶体材料形成；
相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，并且，相变材料的熔点小于导电晶体材料的熔点。
本公开实施例中所涉及的“相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠”，指的是，任意两层相变材料层101之间具有一层导电隔绝层102，或者，任意两层导电隔绝层102之间具有一层相变材料层101。也就是说，该相变薄膜1为相变材料层101和导电隔绝层102交替堆叠形成的一种周期性循环结构，属于超晶格相变材料。
本公开实施例提供的相变存储单元，基于使用的相变薄膜1，使相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠，其中，导电隔绝层102采用的导电晶体材料具有导电性，使其具有低电阻特性，使得相变材料层101与导电隔绝层102形成串联关系，不影响相变材料层101的电阻识别。相变材料的熔点小于导电晶体材料的熔点，这样在相变材料层101发生相变时，导电隔绝层102会保持稳定的晶体结构，有效阻止了相变材料在电场方向上的元素迁移，利于提高相变材料的循环寿命。相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，这样，相变材料层101可以通过外延生长的方式从导电晶体材料层的界面进行结晶，以导电晶体材料层作为结晶生长模板，利于显著降低结晶时间，提高相变材料的相变速度，进而提高相变存储器的读写速度。另外，由于采用了多层相变材料层101，使得该相变薄膜1能够分层相变，获得多级存储的能力，利于提高相变存储器的数据存储密度。
本公开实施例中，相变材料与导电晶体材料的晶体结构类似，或者，至少使相变材料与导电晶体材料的接触晶面的晶型相似，以使两者获得更高的晶格匹配度，进而使导电晶体材料能够作为相变材料的结晶模板。
本公开实施例中，相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，在一些可能的实现方式中，相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于5％，进一步小于或等于4％、小于或等于3％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％，以使相变材料获得更快的结晶速度。
此外，当相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于5％时，相变材料与导电晶体材料两者之间存在的这种较小的晶格常数差异，能够为相变材料的结晶提供动力，利于进一步提高相变材料结晶时形成的晶态结构的稳定性。
在一些可能的实现方式中，相变薄膜1中涉及的多层相变材料层101的厚度范围均为1nm-10nm，例如为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等，并且，多层相变材料层101的厚度可以全部相同，也可以使部分相变材料层101的厚度相同，还可以使全部的相变材料层101的厚度彼此不同。对于任意层的相变薄膜1的厚度，可以根据其发生相变时对应的操作电压或者操作电流的大小来确定。
在一些可能的实现方式中，相变薄膜1中涉及的导电隔绝层102的厚度范围均为1nm-10nm，例如为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等，并且，多层导电隔绝层102的厚度可以全部相同，也可以使部分导电隔绝层102的厚度相同，还可以使全部的导电隔绝层102的厚度彼此不同。对于任意导电隔绝层102的厚度，导电隔绝层102的厚度须满足能够有效阻止相邻两层相变材料层101之间的元素迁移，此外，还可以根据导电隔绝层102相邻的相变材料层101发生相变时对应的操作电压或者操作电流的大小来确定导电隔绝层102的厚度。
使相变材料层的厚度和导电隔绝层的厚度在上述范围内，以适用于相变存储单元，并获得较宽的调节范围。
以一层相变材料层101和与其层叠的一层导电隔绝层102作为一个循环周期，本公开实施例中，可以使相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠的循环周期为2-50，例如为2-10、5-15、5-20、10-30、15-40等。
举例来说，以相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠的循环周期为5举例来说，该相变薄膜1可以包括依次层叠的第一相变材料层101/第一导电隔绝层102/第二相变材料层101/第二导电隔绝层102/第三相变材料层101/第三导电隔绝层102/第四相变材料层101/第四导电隔绝层102/第五相变材料层101/第五导电隔绝层102。其中，第五导电隔绝层102为可选的。
相变薄膜1中，多层相变材料层101所使用的相变材料的种类可以全部相同，也可以部分不同，还可以全部不同，对应地，多层导电隔绝层102所使用的导电晶体材料的种类可以全部相同，也可以部分不同，还可以全部不同。其中，导电隔绝层102的种类须根据与其相邻的相变材料层101的种类进行选择，以确保相邻的导电隔绝层102与相变材料层101之间的晶格失配度小于或等于10％。
在一些可能的实现方式中，相变材料为GeTe(碲化锗)二元化合物、SbxTe1-x(0.8<x≤1)、Bi-Te二元化合物或者Ge-Sb-Te三元化合物；
导电晶体材料为ScTe(碲化钪)、Sc2Te3(三碲化二钪)、PtTe2(二碲化铂)、Pt2Te3(三碲化二铂)、PdTe2(二碲化钯)、MoTe2(二碲化钼)、Cr2Te3(三碲化铬)、SiTe2(二碲化硅)、Si2Te3(三碲化二硅)、NiTe2(二碲化镍)、或者CuTe2(二碲化铜)。
上述种类的相变材料能够与下述种类的导电晶体材料组合使用，只要满足组合使用的相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，并且，组合使用的相变材料的熔点小于导电晶体材料的熔点即可。上述种类的导电晶体材料具有稳定的晶体结构，能够有效阻止了相变材料在电场方向上的元素迁移，同时，在保持导电晶体材料与相变材料的晶格失配度小于或等于10％时，相变材料层可以以导电晶体材料层作为结晶生长模板，利于显著降低结晶时间，提高相变材料的相变速度。
举例来说，本公开实施例提供了这样一种相变薄膜1，其包括由二元化合物GeTe形成的相变材料层101，以及由化合物ScTe形成的导电隔绝层102。
附图2示出了该GeTe/ScTe相变薄膜的晶体结构模型示意图，化合物GeTe和化合物ScTe的晶型均为六方体形，两者的接触晶面均为正六边形，也就是说，边长均是等长的，相邻边长之间呈120°的夹角，化合物GeTe的接触晶面的晶格参数为
化合物ScTe的接触晶面的晶格参数为
两者之间的晶格失配度为0.91％，这样，GeTe材质的相变材料层101能够通过外延生长的方式在ScTe材质的导电隔绝层102的界面上快速结晶，显著提高GeTe相变材料层101的结晶速度，降低相变材料层101的结晶时间。
另外，化合物GeTe的熔点低于化合物ScTe的熔点，这样，在GeTe材质的相变材料层101发生相变的过程中，ScTe材质的导电隔绝层102会保持稳定的晶体结构，阻止了相变材料在电场方向的元素扩散和迁移，提高其循环寿命。
本公开实施例提供的相变薄膜1，可以采用以下制备方法制备得到：提供相变材料和导电晶体材料。
利用相变材料和导电晶体材料，通过薄膜沉积工艺依次交替形成相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
在一些可能的实现方式中，相变材料为GeTe二元化合物、SbxTe1-x(0.8<x≤1)、Bi-Te二元化合物或者Ge-Sb-Te三元化合物；
导电晶体材料为ScTe、Sc2Te3、PtTe2、Pt2Te3、PdTe2、MoTe2、Cr2Te3、SiTe2、Si2Te3、NiTe2、或者CuTe2。
所使用的薄膜沉积工艺包括但不限于以下：原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)、物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)，特别地，例如等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺、磁控溅射、电子束蒸发等。
磁控溅射工艺不仅能够用于形成相变薄膜，还能够用于形成电极层，为了获得期望的薄膜结构，适用的磁控溅射参数如下所示：
本底真空度为10-3Pa-10-5Pa，例如为1×10-4 Pa-5×10-4 Pa；
溅射气压为0.3 Pa-0.8Pa，例如为0.5 Pa；
溅射气体包括但不限于：氩气Ar、氪气Kr、氙气Xe、氖气Ne、氮气N2中的至少一种，由于氩气价格较低，容易获得，可以选用氩气Ar作为磁控溅射工作气体。
当用于形成相变薄膜1时，采用射频磁控溅射，基板温度，也就是样品台温度为180℃-350℃，例如为200℃、250℃、300℃等，并且溅射功率为70W-90W，例如为75W等，以便于相变薄膜1顺利形成。
当用于形成电极层时，采用采用直流功率溅射，基板温度为20℃-30℃，例如为25℃，并且溅射功率为100W-150W，例如为120W等。
本公开实施例还提供的相变存储单元基于使用了上述任一种相变薄膜，使得相变存储单元至少具有以下优点：
(1)导电隔绝层102采用的导电晶体材料具有导电性，使其具有低电阻特性，使得相变材料层101与导电隔绝层102形成串联关系，不影响相变材料层101的电阻识别，使得相变存储单元具有良好的存储数据的性能。
(2)相变材料的熔点小于导电晶体材料的熔点，相变材料层101发生相变时，导电隔绝层102会保持稳定的晶体结构，有效阻止了相变材料在电场方向上的元素迁移，利于提高相变材料的循环寿命，进而提高相变存储单元的循环寿命。
(3)相变材料与导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，特别地，小于或等于5％，例如小于1％，这样相变材料层101可以通过外延生长的方式从导电晶体材料层的界面进行结晶，以导电晶体材料层作为结晶生长模板，利于显著降低结晶时间，提高相变材料的相变速度，进而提高相变存储器的读写速度。
(4)由于采用了多层相变材料层101，使得该相变薄膜1能够分层相变，获得多级存储的能力，使得存储单元实现多值存储，利于提高相变存储器的数据存储密度。
本公开实施例提供的相变存储单元，除了包括上述相变薄膜1之外，如附图7所示，相变存储单元还包括衬底2、顶电极32、底电极31、绝缘隔热层4；其中，底电极31位于衬底2的表面；相变薄膜1连接于底电极31和顶电极32之间；绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部。
本公开实施例将靠近衬底2的方向定义为底部方向，将远离衬底2的方向定义为顶部方向。
相变存储单元的结构包括但不限于：(1)限制型结构、(2)T型结构等，以下分别对这两类结构的相变存储单元的构成进行示例性描述：
(11)在一些可能的实现方式中，本公开实施例提供了一种限制型结构的相变存储单元，其中，如附图7所示，自顶部到底部的方向，顶电极32、相变薄膜1、底电极31、衬底2顺次接触。
也就是说，底电极31形成于衬底2的顶部表面，相变薄膜1形成于底电极31的顶部表面，顶电极32形成于相变薄膜1的顶部表面。并且，绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部，且位于底电极31和顶电极32之间。
在该实现方式中，相变薄膜1的最底层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图7示出了相变薄膜1的最底层为相变材料层101；相变薄膜1的最顶层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图7示出了相变薄膜1的最顶层为导电隔绝层102。
可以使相变薄膜1的厚度小于隔热孔401的深度，这样，顶电极32的底部会部分地位于隔热孔401内来与相变薄膜1接触；还可以使绝缘隔热层4和相变薄膜1的顶部表面持平，这样，顶电极32的底部表面也保持持平，以同时与绝缘隔热层4和相变薄膜1的顶部表面接触。
对于(11)所示的限制型结构的相变存储单元，例如当相变薄膜1最底层为相变材料层101时，由于该最底层的相变材料层101的底部表面完全与底电极31接触，这样，在特定的操作电压或者操作电流下，该最底层的相变材料层101能够全部发生相变。与底电极31相比，相变材料层101的体积相对较小，该类结构通过减小相变材料层101的体积来降低RESET操作所需要的电流，以获得更强的稳定性。
对于该类结构，通过改变操作电压或者操作电流，可以改变发生相变的相变材料层101的数量(这些相变材料层101在发生相变时，其本身是全部发生相变的)。例如，沿底部自顶部的方向，可以仅使最底层相变材料层101发生相变，或者，还可以使两层相变材料层101发生相变，或者，还可以使三层相变材料层101发生相变等，使得该相变存储单元达到分层相变的效果，具有多级存储的能力。
对于该类相变存储单元，可通过以下方法制备得到：
步骤1101：参见图3，提供清洗干净的衬底2，在衬底2的表面形成底电极31。
步骤1102：参见图4，在底电极31的表面形成绝缘隔热层4，使绝缘隔热层4全部覆盖底电极31。参见图5，然后对绝缘隔热层4进行刻蚀，特别地，将绝缘隔热层4上对应于隔热孔401的部分刻蚀掉，并暴露出底电极31，这样能够在绝缘隔热层4中形成隔热孔401。
步骤1103：参见图6，按照相变薄膜1的制备方法，在隔热孔401内形成相变薄膜1。特别的，按照相变薄膜1中相变材料层101和导电隔绝层102的分布顺序，在隔热孔401内依次交替形成相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
步骤1104：参见图7，在相变薄膜1、绝缘隔热层4的顶部表面形成顶电极32，得到相变存储单元。
(12)在一些可能的实现方式中，本公开实施例提供了一种限制型结构的相变存储单元，如附图10所示，该限制型结构的相变存储单元包括：相变薄膜1、衬底2、顶电极32、底电极31、绝缘隔热层4、加热电极5；自顶部到底部的方向，顶电极32、相变薄膜1、加热电极5、底电极31、衬底2顺次接触。
也就是说，底电极31形成于衬底2的顶部表面，加热电极5形成于底电极31的顶部表面，相变薄膜1形成于加热电极5的顶部表面，顶电极32形成于相变薄膜1的顶部表面。并且，绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部，且位于底电极31和顶电极32之间。
在该实现方式中，相变薄膜1的最底层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图10示出了相变薄膜1的最底层为相变材料层101；相变薄膜1的最顶层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图10示出了相变薄膜1的最顶层为导电隔绝层102。
可以使相变薄膜1的厚度小于隔热孔401的深度，这样，顶电极32的底部会部分地位于隔热孔401内来与相变薄膜1接触；还可以使绝缘隔热层4和相变薄膜1的顶部表面持平，这样，顶电极32的底部表面也保持持平，以同时与绝缘隔热层4和相变薄膜1的顶部表面接触。
对于(12)所示的限制型结构的相变存储单元，其与(11)所示的限制型结构的相变存储单元的区别仅在于：使用加热电极5，而并非使用底电极31来与相变薄膜1的底部表面接触。使用加热电极5能够使相变材料层101获得更高的发热效率，减少热散，利于提高相变速度。除此之外，(12)所示的限制型结构的相变存储单元的工作原理与(11)所示的限制型结构的相变存储单元的工作原理类似。
对于该类相变存储单元，可通过以下方法制备得到：
步骤1201：参见图3，提供清洗干净的衬底2，在衬底2的表面形成底电极31。
步骤1202：参见图4，在底电极31的表面形成绝缘隔热层4，使绝缘隔热层4全部覆盖底电极31。参见图5，然后对绝缘隔热层4进行刻蚀，特别地，将绝缘隔热层4上对应于隔热孔401的部分刻蚀掉，并暴露出底电极31，这样能够在绝缘隔热层4中形成隔热孔401。
步骤1203：参见图8，在隔热孔401内形成加热电极5。
步骤1204：参见图9，按照相变薄膜1的制备方法，继续在加热电极5上形成相变薄膜1。特别地，按照相变薄膜1中相变材料层101和导电隔绝层102的分布顺序，在位于隔热孔401内的加热电极5上依次交替形成相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
步骤1205：参见图10，在相变薄膜1、绝缘隔热层4的顶部表面形成顶电极32，得到相变存储单元。
(2)在一些可能的实现方式中，本公开实施例提供了一种T型结构的相变存储单元，如附图17所示，该T型结构的相变存储单元包括：相变薄膜1、衬底2、顶电极32、底电极31、绝缘隔热层4；其中，衬底2上具有通孔201，底电极31位于通孔201内；顶电极32、相变薄膜1、衬底2顺次接触，并且，相变薄膜1还与底电极31连接。
也就是说，底电极31形成于衬底2的通孔201内，相变薄膜1同时形成于底电极31和衬底2的顶部表面，顶电极32形成于相变薄膜1的顶部表面。并且，绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部。
在该实现方式中，相变薄膜1的最底层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图17示出了相变薄膜1的最底层为相变材料层101；相变薄膜1的最顶层可以是相变材料层101，也可以是导电隔绝层102，例如，图17示出了相变薄膜1的最顶层为导电隔绝层102。
对于(2)所示的T型结构的相变存储单元，例如当相变薄膜1的最底层为相变材料层101时，由于该最底层的相变材料层101的部分底部表面与底电极31接触，这样，在特定的操作电压或者操作电流下，仅该相变材料层101中与底电极31接触的部分发生相变，其余部分可以不发生相变。该类结构通过减小底电极31与相变材料层101的接触面积来提高热阻和热效率。
对于该类结构，通过改变操作电压或者操作电流，可以改变发生相变的相变材料层101的数量(这些相变材料层101在发生相变时，其本身是部分发生相变的)。例如，沿底部自顶部的方向，可以仅使最底层的相变材料层101发生相变，或者，还可以使两层相变材料层101发生相变，或者，还可以使三层相变材料层101发生相变等，使得该相变存储单元达到分层相变的效果，具有多级存储的能力。
对于该类相变存储单元，可通过以下方法制备得到：
步骤201：参见图11，在衬底2上形成通孔201，参见图12，,在通孔201内形成底电极31，并使衬底2和底电极31的顶部表面持平。
步骤202：参见图13，按照相变薄膜1的制备方法，在衬底2和底电极31的顶部表面形成相变薄膜1。特别的，按照相变薄膜1中相变材料层101和导电隔绝层102的分布顺序，在衬底2和底电极31的顶部表面上依次交替形成相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
步骤203：参见图14，继续在相变薄膜1的顶部表面形成顶电极32。
步骤204：参见图15，对顶电极32和相变薄膜1进行部分刻蚀，直至暴露衬底2。
步骤205：参见图16，在刻蚀后的顶电极32和相变薄膜1上形成绝缘隔热层4，直至绝缘隔热层4将顶电极32和相变薄膜1完全包覆。
步骤206，参见图17，对绝缘隔热层4的顶部进行刻蚀，以暴露顶电极32，得到相变存储单元。
本公开实施例提供的相变存储单元中，利用衬底2来对整个相变存储单元结构提供支撑，示例地，衬底2的材质可以采用本领域常见的衬底材料，举例来说，衬底2的材质包括但不限于：二氧化硅、碳化硅、硅片、蓝宝石、金刚石等。
在应用时，可以采用有机溶剂，例如乙醇和/或丙酮等将衬底2的表面清洗干净，以除去表面的杂质，例如有机物、氧化物和金属离子等。清洗完毕，可以将衬底2置于烘箱中于60℃-90℃下干燥，获得充分干燥且干净的衬底2。底电极31位于衬底2上的通孔201内部，同时也起到了隔热的作用。
本公开实施例提供的相变存储单元中，顶电极32和底电极31可以采用本领域常见的电极材料制备得到，只要能够满足以下要求：熔点高于相变材料的熔点，不易氧化等。举例来说，顶电极32和底电极31的材质包括但不限于：钨化钛TiW(例如Ti3W7)、钨W、铝Al、氮化钛TiN、钛Ti、钽Ta、银Ag、铂Pt、碳C、铜Cu、钌Ru、金Au、钴Co、铬Cr、镍Ni、铱Ir、钯Pd、铑Rh等。所涉及的加热电极5所使用的电极材料包括但不限于：氮化钛TiN、钨W、Ti3W7等。
基于上述电极材料，可以采用诸如物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)工艺(例如磁控溅射)，将上述电极材料沉积成顶电极32或者底电极31。
本公开实施例提供的相变存储单元中，所涉及的绝缘隔热层4的作用至少如下：(1)形成隔热孔401，使得相变薄膜1被限制在该隔热孔401内，以降低相变所需的热量，利于降低相变存储器的功耗；(2)能够避免顶电极32和底电极31发生短路。绝缘隔热层4所采用的绝缘隔热材料需要较高的熔点，以有效阻止相变材料的扩散，且还需要有更佳的热稳定性，以在相变材料发生相变时忍忍保持绝缘隔热性能。
示例地，绝缘隔热层4所采用的绝缘隔热材料包括但不限于：氮化硅Si3N4、二氧化硅SiO2等。可以采用诸如化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺，具体例如为等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺，将上述绝缘隔热材料沉积成绝缘隔热层4。
本公开实施例提供的相变存储单元中，相变薄膜1中涉及的相变材料层101和导电隔绝层102均可以采用原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)、物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)，特别地，例如等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺、磁控溅射、电子束蒸发等工艺来形成。
在一些可能的实现方式中，在形成相变薄膜1后，需要对相变薄膜1进行抛光，以便于在相变薄膜1上生长顶电极。
再一方面，本公开实施例还提供了一种相变存储器，该相变存储器包括多个上述的任一种相变存储单元。
基于使用了上述相变存储单元，本公开实施例提供的相变存储器，至少具有以下优点：能够实现高密度多值存储，稳定性高、重复性好、读写速度快等。
附图18提供了包括相变存储单元的相变存储器的一种应用场景示意图，其包括：通讯连接的相变存储器100、动态随机存取存储器200、缓存300、处理器400和固态硬盘500，应用时，相变存储器100和动态随机存取存储器200能够共同作为混合内存。
附图19提供了包括相变存储单元的相变存储器的另一种应用场景示意图，其包括：通讯连接的相变存储器100、缓存300、处理器400和固态硬盘500，应用时，相变存储器100单独作为内存。
可见，包括相变存储单元的相变存储器能够与动态随机存取存储器协同作用，甚至能够替代动态随机存取存储器作为内存，利于来增加内存的密度(例如，能达到4F2的高密度)，易于和选通器件进行3维集成、和COMS工艺兼容，降低内存成本，同时避免了动态随机存取存储器不断刷新带来的功耗问题。
再一方面，本公开实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括处理器及上述的相变存储器，所述相变存储器用于存储所述处理器所访问的数据。
示例地，该电子设备包括但不限于：计算机、打印机、手机、相机等。
以下将通过具体实施例进一步地描述本公开：
实施例1
本实施例1提供了一种限制型结构的相变存储单元，如附图10所示，包括：相变薄膜1、衬底2、顶电极32、底电极31、绝缘隔热层4、加热电极5。自顶部到底部的方向，顶电极32、相变薄膜1、加热电极5、底电极31、衬底2顺次接触。具体而言，底电极31形成于衬底2的顶部表面，加热电极5形成于底电极31的顶部表面，相变薄膜1形成于加热电极5的顶部表面，顶电极32形成于相变薄膜1的顶部表面。并且，绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部，且位于底电极31和顶电极32之间。
相变薄膜1包括交替层叠的GeTe材质的相变材料层101和ScTe材质的导电隔绝层102，并且，相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠的循环周期为10，其中，每一层相变材料层101的厚度为5nm，每一层导电隔绝层102的厚度为3nm，相变薄膜1的最底层为相变材料层101，相变薄膜1的最顶层为导电隔绝层102。
该相变存储单元通过以下方法制备得到：
步骤1：提供清洗干净的二氧化硅材质的衬底2，在衬底2的表面形成底电极31，底电极31为W电极，通过丙酮和乙醇交替清洗包含该底电极31的衬底2，去除表面的有机物、氧化物和金属离子等各类杂质，并在烘箱中于80℃下烘烤20分钟，使其充分干燥。
步骤2：通过等离子体增强化学的气相沉积法，在底电极31的表面沉积Si3N4材质的绝缘隔热层4，使绝缘隔热层4全部覆盖底电极31。然后通过电子束光刻和反应离子刻蚀工艺，对绝缘隔热层4进行刻蚀，特别的将绝缘隔热层4上对应于隔热孔401的部分刻蚀掉，并暴露出底电极31，形成直径为80nm的小孔作为隔热孔401。
步骤3：通过磁控溅射法，在隔热孔401内形成TiN材质的加热电极5。
步骤4：按照相变薄膜1中相变材料层101和导电隔绝层102的分布顺序，通过磁控溅射法，在位于隔热孔401内的加热电极5上依次交替沉积相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
步骤5：通过磁控溅射法，在相变薄膜1绝缘隔热层4的顶部表面形成TiN材质的顶电极32，得到相变存储单元。
上述磁控溅射参数如下所示：
本底真空度为2.1×10-4Pa，溅射气压为0.5Pa，溅射气体为氩气Ar，当用于形成相变薄膜1时，采用射频磁控溅射，基板温度为300℃，并且，溅射功率为75W。当用于形成电极层时，采用采用直流功率溅射，基板温度为25℃，并且溅射功率为120W。
本公开实施例提供的相变存储单元，将ScTe化合物作为导电隔绝层102，其同时还作为GeTe化合物的结晶模板，有效提升相变存储器的结晶速度。同时，该相变存储单元为限制型结构，存储单元占用面积小，利于显著提升存储阵列密度。
实施例2
本实施例2提供了一种限制型结构的相变存储单元，如附图17所示，其包括：T型结构的相变存储单元，其包括：相变薄膜1、衬底2、顶电极32、底电极31、绝缘隔热层4；其中，衬底2上具有通孔201，底电极31位于通孔201内；顶电极32、相变薄膜1、衬底2顺次接触，并且，相变薄膜1还与底电极31连接。具体而言，底电极31形成于衬底2的通孔201内，相变薄膜1同时形成于底电极31和衬底2的顶部表面，顶电极32形成于相变薄膜1的顶部表面。并且，绝缘隔热层4包覆于相变薄膜1的侧部。
相变薄膜1包括交替层叠的GeTe材质的相变材料层101和ScTe材质的导电隔绝层102，并且，相变材料层101与导电隔绝层102交替层叠的循环周期为12，其中，每一层相变材料层101的厚度为5.5nm，每一层导电隔绝层102的厚度为3nm，相变薄膜1的最底层为相变材料层101，相变薄膜1的最顶层为导电隔绝层102。
该相变存储单元通过以下方法制备得到：
步骤1：提供清洗干净的二氧化硅材质的衬底2，在衬底2上形成通孔201，并通过磁控溅射法，在通孔201内形成直径为200nm的底电极31，底电极31为W电极，通过丙酮和乙醇交替清洗包含该底电极31的衬底2，去除表面的有机物、氧化物和金属离子等各类杂质，并在烘箱中于80℃下烘烤20分钟，使其充分干燥。
步骤2：按照相变薄膜1中相变材料层101和导电隔绝层102的分布顺序，通过磁控溅射法，在衬底2和底电极31的顶部表面上依次交替形成相变材料层101和导电隔绝层102，得到相变薄膜1。
步骤3：通过磁控溅射法，继续在相变薄膜1的顶部表面形成TiN材质的顶电极32。
步骤4：通过电子束光刻和反应离子刻蚀工艺，对顶电极32和相变薄膜1进行部分刻蚀，直至暴露衬底2。
步骤5：通过磁控溅射法，在刻蚀后的顶电极32和相变薄膜1上形成绝缘隔热层4，直至绝缘隔热层4将顶电极32和相变薄膜1完全包覆，然后对绝缘隔热层4的顶部进行刻蚀，以暴露顶电极32，得到相变存储单元。
上述磁控溅射参数如下所示：
本底真空度为2.1×10-4Pa，溅射气压为0.5Pa，溅射气体为氩气Ar，当用于形成相变薄膜1时，采用射频磁控溅射，基板温度为300℃，并且，溅射功率为75W。当用于形成电极层时，采用采用直流功率溅射，基板温度为25℃，并且溅射功率为120W。
本公开实施例提供的相变存储单元，将ScTe化合物作为导电隔绝层102，其同时还作为GeTe化合物的结晶模板，有效提升相变存储器的结晶速度。同时，该相变存储单元为T型结构，工艺简单，易于操作，对光刻要求精度低，且绝缘隔热层4能有效保护相变存储单元，避免被空气氧化。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并不用以限制本公开。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元包括：相变薄膜(1)；
所述相变薄膜(1)包括：多层相变材料层(101)和多层导电隔绝层(102)，所述相变材料层(101)与所述导电隔绝层(102)交替层叠；
所述相变材料层(101)采用相变材料形成，所述导电隔绝层(102)采用导电晶体材料形成；
所述相变材料与所述导电晶体材料的晶格失配度小于或等于10％，并且，所述相变材料的熔点小于所述导电晶体材料的熔点。
2.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料与所述导电晶体材料的晶格失配度小于或等于5％。
3.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层(101)的厚度为1nm-10nm；
所述导电隔绝层(102)的厚度为1nm-10nm。
4.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层(101)与所述导电隔绝层(102)交替层叠的循环周期为2-50。
5.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料为Ge-Te二元化合物、SbxTe1-x(0.8<x≤1)、Bi-Te二元化合物、或者Ge-Sb-Te三元化合物；
所述导电晶体材料为ScTe、Sc2Te3、PtTe2、Pt2Te3、PdTe2、MoTe2、Cr2Te3、SiTe2、Si2Te3、NiTe2、或者CuTe2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元还包括：衬底(2)、底电极(31)、顶电极(32)、绝缘隔热层(4)；
所述底电极(31)位于所述衬底(2)的表面；
所述相变薄膜(1)连接于所述底电极(31)和所述顶电极(32)之间；
所述绝缘隔热层(4)包覆于所述相变薄膜(1)的侧部。
7.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元为限制型结构；
所述顶电极(32)、所述相变薄膜(1)、所述底电极(31)、所述衬底(2)顺次接触。
8.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元为限制型结构；
所述相变存储单元还包括：加热电极(5)；
所述顶电极(32)、所述相变薄膜(1)、所述加热电极(5)、所述底电极(31)、所述衬底(2)顺次接触。
9.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元为T型结构；
所述衬底(2)上具有通孔(201)，所述底电极(31)位于所述通孔(201)内；
所述顶电极(32)、所述相变薄膜(1)、所述衬底(2)顺次接触，并且，所述相变薄膜(1)还与所述底电极(31)连接。
10.一种相变存储器，其特征在于，所述相变存储器包括多个权利要求1-9任一项所述的相变存储单元。
11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器及权利要求10所述的相变存储器，所述相变存储器用于存储所述处理器所访问的数据。
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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| CN202110137906.8A CN114843395A (zh) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 相变存储单元、相变存储器及电子设备 |
Publications (1)
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