[发明专利]一种实现多级存储的存储器单元结构及其制作方法

权利要求书

1.一种实现多级相变存储的存储器单元结构，包括底电极、绝缘介质层和顶电极，其特征在于：

(1)在绝缘介质层上制备有纳米级孔洞，在孔洞中填充金属材料，形成金属塞，所述的金属材料为形成氧化物后具有阻变特性的金属；

(2)金属塞的顶部氧化，形成阻变氧化物塞；

(3)相变材料和阻变氧化物塞形成堆栈结构；

(4)纳米级孔洞穿过绝缘介质层，且孔洞底部与底电极相连。

2.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于顶电极和相变材料之间制备一层TiN阻挡层。

3.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于所述的纳米级孔洞直径介于50～500nm之间。

4.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于纳米级孔洞中填充的金属材料为W、Ti、Ni、Cu、Zr、Ta、Al、Nb、Zn、Hf、Fe、Co、Ce、Cr、V、Sn、Sb或Bi。

5.按权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于纳米级孔洞中填充金属W。

6.按权利要求1～5中任一项所述的实现多级相变存储的存储器单元结构，其特征在于利用相变材料和具有阻变特性的氧化物塞依次发生相变、阻变实现写操作；再通过具有阻变特性的氧化物塞和相变材料依次发生阻变、相变实现擦操作，阻值变化在一个量级以上。

7.制备如权利要求1所述的实现多级相变存储的存储器单元结构的方法，其特征在于：

(a)利用高真空磁控溅射方法在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上原位溅射生长100nm-500nm厚的绝缘介质层；

(b)在步骤(a)制作的绝缘介质层上利用电子束曝光、反应离子刻蚀或亚微米CMOS工艺制备纳米级孔洞，且纳米级孔洞穿过绝缘介质层，孔洞底部与底电极相连；

(c)利用磁控溅射、原子层沉积或物理气相沉积或化学气相沉积方法在步骤(b)制出的孔洞内填充形成氧化物后具有阻变特性的金属材料；

(d)孔洞中填满上述金属材料后，采用化学机械抛光技术，将孔洞外的金属材料去除，形成金属塞；

(e)利用热氧化或等离子体氧化的方法将金属塞的顶部氧化，形成相应的阻变氧化物塞；

(f)在上述阻变氧化物塞上依次淀积具有可逆相变特性的相变材料和TiN，通过剥离或者刻蚀的方法形成相变存储单元；

(g)淀积金属电极材料，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成顶电极。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于：

a)所述的衬底材料为单晶硅片，或Ge、InP和GaAs半导体材料中一种，或是石英玻璃，陶瓷基片或金属材料；

b)所述的绝缘介质层材料为SiO₂、SiN_x、Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂或Ta₂O₅材料；

c)所述的顶电极或底电极是Pt、Au、Ag、Al、Cu、W或Mo；

d)所述的相变材料为Ge-Sb-Te系列、Si-Sb-Te系列、Sb-Te系列、Ge-Sb系列或Si-Sb系列。

9.按权利要求7或8所述的方法，其特征在于底电极或顶电极的厚度为200～500nm。