CN115084368A - 一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,通过在底电极层施加正电压脉冲,顶电极层接地,使相变材料在晶态与非晶态之间实现相变过程,进而对器件的阻态进行调节。在施加脉冲后,活性电极中金属阳离子会被氧化,在介质层半导体材料中的缺陷中快速迁移,并在介质层中形成稳定的导电丝。由于介质层导电性能差,形成的导电丝作为底电极与相变材料层的接触点,使得相变材料层在相变过程中的升温区域减小,器件的有效相变面积减小,因此使其工作电流减小。该结构可以有效降低相变存储器的功耗,提高了相变存储器的性能,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域,更具体地,涉及一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法。
背景技术
随着物联网的发展,每秒都有大量的数据以视频、音乐、图片、商业信息、在线社交网络聊天数据等形式生成和传输。大量的数据存储将耗费大量的数据处理资源,因此迫切需要一场硬件革命。而非易失性存储器作为新兴的下一代存储器,具有高速、高密度的优良特点。相变存储器(Phase Change Memory)是非易失性存储器中的性能较好的一种,它具有众多优势,比如较快的读写速度,较好的数据保持能力、耐久性以及高记录密度。因此,相变存储器有可能成为未来非易失性存储器的主流,并且有希望解决数据飞速增长带来的存储挑战。
在相变存储器当前的发展阶段,制约相变存储器发展的主要因素之一就是其具有过高的功耗。相变存储器往往通过相变材料在晶态和非晶态之间相互转换,从而存储信息。而在由晶态向非晶态的转化过程中,需要较高的温度破坏其有序的晶体结构,也就是RESET过程。在这一过程中,会消耗较高的能量,这也是目前相变存储器无法大规模应用的主要原因之一。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,旨在解决现有相变存储器在RESET过程中功耗较高的问题。
为实现上述目的,第一方面,本发明提供了一种基于导电丝电极的相变存储器,包括:衬底、底电极层、隔离层、活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层;
所述底电极层设置在衬底上,隔离层设置在底电极层的两端;所述隔离层用于隔离不同的相变存储器单元;
在所述隔离层上方和底电极层中间的上方依次沉积所述活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层;
所述活性电极层包括活性金属材料,所述介质层包括硫系化合物和金属氧化物,所述相变材料层包括硫系相变材料;
向底电极层施加正电压脉冲后,活性电极层中的金属阳离子被氧化,快速向介质层的空位迁移,并在介质层中形成稳定的导电丝;所述底电极通过导电丝与相变材料层电接触;在所述正电压脉冲的作用下,相变材料层与导电丝接触的区域升温,以控制相变材料层对应的区域发生相变;所述相变存储器的相变过程不需要整个相变材料层均发生相变,工作电流相对减小,功耗相对降低。
在一个可选的示例中,所述硫系相变材料为GeSbTe、GeTe、SbTe、BiTe、单质Sb中的任意一种或任意组合;
或上述任意一种或任意组合中掺入S、N、O、Cu、Si、Cr、Y、Sc、Ti、Ni中至少一种元素所形成的化合物。
在一个可选的示例中,所述底电极层和顶电极层中的电极部分均包括惰性金属材料;所述惰性电极材料为铂、金、钨、钯、氧化铟锡、石墨烯或半金属型二维原子晶体材料。
在一个可选的示例中,所述活性金属材料为银、铜、镍、钛或锂。
在一个可选的示例中,所述硫系化合物为硒化锗、硫化锗或硫化亚锗。
在一个可选的示例中,所述金属氧化物为钛、铪、钽、钒或锆的氧化物。
在一个可选的示例中,相邻两个隔离层之间的衬底、底电极层、活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层构成一个相变存储器单元;
不同相变存储器单元之间填充二氧化硅作为所述隔离层。
第二方面,本发明提供了一种上述第一方面提供的相变存储器的制备方法,包括如下步骤:
S1、在衬底上制备底电极材料,形成底电极层;
S2、在底电极层上按照预设间隔制备多个隔离层,隔离不同相变存储器单元;
S3、在底电极层和多个隔离层上制备活性电极材料,形成活性电极层;
S4、在活性电极层上制备介质层薄膜,形成预设厚度的介质层;
S5、在介质层上依次制备相变材料层和顶电极层。
在一个可选的示例中,所述顶电极层和底电极层的最小间隔距离为50nm~5μm。
在一个可选的示例中,所述介质层厚度为10nm~1μm。
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,具有以下有益效果:
本发明提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,通过在底电极层施加正电压脉冲,顶电极层接地,使相变材料在晶态与非晶态之间实现相变过程,进而对器件的阻态进行调节。在施加脉冲后,活性电极中金属阳离子会被氧化,在介质层半导体材料中的缺陷中快速迁移,并在介质层中形成稳定的导电丝。由于介质层导电性能差,形成的导电丝作为底电极与相变材料层的接触介质,接触区域取决于导电丝与相变材料层的接触形状,一般导电丝的顶部是一块小面积区域,使得相变材料层在相变过程中的升温区域减小,器件的有效相变面积减小,因此使其工作电流减小。该结构可以有效降低相变存储器的功耗,提高了相变存储器的性能,具有广阔的应用前景。
本发明提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,所提供的基于导电丝电极的相变存储器结构,可以通过调节介质层以及相变材料层的厚度,从而对器件性能进行一定范围内的优化,使其适用于各项应用场景。
本发明提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,在施加电压脉冲的同时电流限制,可以形成稳定的导电丝,使器件的阻态调节具有非易失性。因此可作为忆阻器,用于数据存储以及神经形态计算等多方面应用。
本发明提供一种基于导电丝电极的相变存储器及其制备方法,由于衬底的材料包括柔性衬底材料,电极材料可选用石墨烯等二维材料,相变材料和介质材料厚度足够薄,使制备出的器件具有一定的柔性,可用于可穿戴设备。
附图说明
图1为本发明第一方面所提供的基于导电丝电极的相变存储器结构的示意图;
图2为本发明第二方面所提供的基于导电丝电极的相变存储器结构的制备方法的流程图;
图3为本发明实施例1所提供的一种基于导电丝电极的相变存储器结构的制备方法流程图;
图4为本发明实施例1所提供的一种基于导电丝电极的相变存储器的电流-电压特性图;
图5为本发明实施例2所提供的一种基于导电丝电极的相变存储器结构的制备方法流程图。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于导电丝电极的相变存储器结构,具体为一种垂直结构的电可操控的相变存储器,如图1所示,包括:衬底、设置在衬底上的底电极层、设置在底电极层上用来隔离不同单元的隔离层,以及在底电极和隔离层上依次沉积的活性电极层、介质层、相变材料层和顶电极层;
其中,底电极层和顶电极层中的电极部分均包括惰性金属材料;活性电极层中的电极材料包括活性金属材料;介质层材料包括硫系化合物、金属氧化物;相变材料层包括硫系相变材料。本发明中提供的相变存储器结构通过在底电极层施加正电压脉冲,顶电极层接地,使相变材料在晶态与非晶态之间实现相变过程,进而对器件的阻态进行调节。在施加脉冲后,活性电极中金属阳离子会被氧化,在介质层半导体材料中的缺陷中快速迁移,并在介质层中形成稳定的导电丝。由于介质层导电性能差,形成的导电丝作为底电极与相变材料层的接触点,使得相变材料层在相变过程中的升温区域减小,器件的有效相变面积减小,因此使其工作电流减小。该结构可以有效降低相变存储器的功耗,提高了相变存储器的性能,具有广阔的应用前景。
进一步地,硫系相变材料为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。
进一步地,惰性电极材料为铂、金、钨、钯、氧化铟锡、石墨烯或半金属型二维原子晶体材料。
进一步地,活性金属材料为银、铜、镍、钛或锂。
进一步地,衬底的材料可以为:硅基氧化物(如氧化硅)、氮化物(如氮化硅)、氟化物(如氟化钙)、铝基氧化物(如氧化铝)和氮化物(如氮化铝)中的一种或多种;还可以为柔性材料,如聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等。
进一步地,硫系化合物为硒化锗、硫化锗、硫化亚锗等。
进一步地,金属氧化物为钛、铪、钽、钒或锆的氧化物。
进一步地,相变材料以及介质层材料沉积在底电极之上,由此制成的不同器件单元之间间距为20μm~40μm,且填充二氧化硅作为隔离层。
进一步地,顶电极和底电极的间隔距离为50nm~5μm。
进一步地,上述材料能够通过磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延法(MBE)或电子束掠射角沉积(GLAD)等方法制备得到。
进一步地,活性电极层、介质层以及相变材料层的图案综合考虑了工艺水平和不同种类的电极对器件性能的影响程度,在工艺水平不同的情况下,可根据实际情况调整活性电极层、介质层和相变材料层的图案。此外在工艺允许的情况下,也可以采用调换活性电极层和相变材料层之间顺序等手段来进一步提升器件的性能,视具体情况所示。
第二方面,本发明提供了一种基于导电丝电极的相变存储器结构的制备方法,如图2所示,包括以下步骤:
S1、在基底上制备底电极材料,形成底电极层;具体地,可采用磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延法(MBE)或电子束掠射角沉积(GLAD)制备底电极材料;
S2、在底电极上制备隔离层材料,隔离不同单元;具体地,磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延法(MBE)或电子束掠射角沉积(GLAD)制备隔离层材料;
S3、在隔离层上制备活性电极材料,形成活性电极层;具体地,可采用磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、气相传输(CVT)或分子束外延法(MBE)在底电极上制备活性电极材料;
S4、在活性电极层上制备介质层薄膜,形成一定厚度的介质层,介质层厚度在10nm-1μm;具体地,可采用磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延法(MBE)或电子束掠射角沉积(GLAD)制备介质层薄膜;
S5、在介质层上制备相变层材料与顶电极;具体地,可采用磁控溅射法、化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延法(MBE)或电子束掠射角沉积(GLAD)制备顶电极材料和相变层材料。
进一步地,在一种可选实施例1中,器件的小孔尺寸为5μm,其底电极、顶电极采用金属铂作为电极,活性电极层材料为金属Ag,介质层材料选用GeSe,相变层材料选用Ge2Sb2Te5,此时,工艺步骤如图3所示,上述基于导电丝电极的相变存储器结构的制备方法的具体步骤包括:
1)利用磁控溅射在基片表面先后沉积10nm的Ti和100nm的Pt作为底电极,其中Ti作为粘附层,可以提高Pt与SiO2之间的粘附性;
2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在300℃的温度条件下生长100nm的SiO2作为隔离层;
3)利用紫外光刻获得5μm尺寸小孔图案,同时设置对准标记以便二次套刻;
4)利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀SiO2层,为确保小孔贯通,适当延长刻蚀时间,但需注意这可能会导致对Pt的轻微过刻。刻蚀完毕后,用丙酮清洗再用高纯氮气吹干;
5)利用先前紫外光刻定义的对准标记与掩膜版相应图案进行紫外套刻,获得单元顶电极图案;
6)利用磁控溅射先后沉积10nm的Ag作为活性电极层和20nm的GeSe作为介质层;
7)利用磁控溅射沉积100nm的Ge2Sb2Te5作为相变材料层;
8)利用磁控溅射沉积100nm的金属铂作为顶电极层;
9)溅射结束后,将样品放入丙酮中轻微摇晃以剥离单元表面光刻胶(必要时可进行小功率超声震荡),随后依次放入无水乙醇和去离子水中清洗,最后利用高纯氮气吹干。至此,基于导电丝的相变存储器件制备完毕。
图4是该发明实施例器件的电流-电压特性图。由图可见,该器件可在较小电流(10-6)下使相变材料发生相变,进而实现阻态的调节,有效降低了器件的功耗。
另一种可选实施例2,器件的小孔尺寸为500nm,其底电极为金属钨、顶电极采用金属铂作为电极,活性电极层材料为金属铜,介质层材料选用GeS,相变层材料选用Ge2Sb2Te5,此时,工艺步骤如图5所示。所示上述导电丝电极的相变存储器结构的制备方法的具体步骤包括:
1)利用磁控溅射在基片表面先后沉积100nm的金属钨作为底电极;
2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在300℃的温度条件下生长100nm的SiO2作为隔离层;
3)利用电子束光刻EBL获得500nm尺寸小孔图案,同时设置对准标记以便二次套刻;
4)利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀SiO2层,为确保小孔贯通,适当延长刻蚀时间,但需注意这可能会导致对W的轻微过刻。刻蚀完毕后,用丙酮清洗再用高纯氮气吹干;
5)利用先前EBL定义的对准标记与掩膜版相应图案进行紫外套刻,获得单元顶电极图案;
6)利用磁控溅射先后沉积10nm的Cu作为活性电极层和20nm的GeS作为介质层;
7)利用磁控溅射沉积100nm的Ge2Sb2Te5作为相变材料层;
8)利用磁控溅射沉积100nm的金属铂作为顶电极层;
9)溅射结束后,将样品放入丙酮中轻微摇晃以剥离单元表面光刻胶(必要时可进行小功率超声震荡),随后依次放入无水乙醇和去离子水中清洗,最后利用高纯氮气吹干。至此,基于导电丝的相变存储器件制备完毕。
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 (10)
1.一种基于导电丝电极的相变存储器,其特征在于,包括:衬底、底电极层、隔离层、活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层;
所述底电极层设置在衬底上,隔离层设置在底电极层的两端;所述隔离层用于隔离不同的相变存储器单元;
在所述隔离层上方和底电极层中间的上方依次沉积所述活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层;
所述活性电极层包括活性金属材料,所述介质层包括硫系化合物和金属氧化物,所述相变材料层包括硫系相变材料;
向底电极层施加正电压脉冲后,活性电极层中的金属阳离子被氧化,快速向介质层的空位迁移,并在介质层中形成稳定的导电丝;所述底电极通过导电丝与相变材料层电接触;在所述正电压脉冲的作用下,相变材料层与导电丝接触的区域升温,以控制相变材料层对应的区域发生相变;所述相变存储器的相变过程不需要整个相变材料层均发生相变,工作电流相对减小,功耗相对降低。
2.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,所述硫系相变材料为GeSbTe、GeTe、SbTe、BiTe、单质Sb中的任意一种或任意组合;
或上述任意一种或任意组合中掺入S、N、O、Cu、Si、Cr、Y、Sc、Ti、Ni中至少一种元素所形成的化合物。
3.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,所述底电极层和顶电极层中的电极部分均包括惰性金属材料;所述惰性电极材料为铂、金、钨、钯、氧化铟锡、石墨烯或半金属型二维原子晶体材料。
4.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,所述活性金属材料为银、铜、镍、钛或锂。
5.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,所述硫系化合物为硒化锗、硫化锗或硫化亚锗。
6.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,所述金属氧化物为钛、铪、钽、钒或锆的氧化物。
7.根据权利要求1所述的相变存储器,其特征在于,相邻两个隔离层之间的衬底、底电极层、活性电极层、介质层、相变材料层以及顶电极层构成一个相变存储器单元;
不同相变存储器单元之间填充二氧化硅作为所述隔离层。
8.一种权利要求1至7任一项所述相变存储器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、在衬底上制备底电极材料,形成底电极层;
S2、在底电极层上按照预设间隔制备多个隔离层,隔离不同相变存储器单元;
S3、在底电极层和多个隔离层上制备活性电极材料,形成活性电极层;
S4、在活性电极层上制备介质层薄膜,形成预设厚度的介质层;
S5、在介质层上依次制备相变材料层和顶电极层。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述顶电极层和底电极层的最小间隔距离为50nm~5μm。
10.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述介质层厚度为10nm~1μm。
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CN117529222B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-22 | 华中科技大学 | 一种导电丝形成区域可控的拓扑相变忆阻器及其制备方法 |
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