[发明专利]低功耗抗疲劳的相变存储单元及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变存储单元及制备方法，特别涉及一种低功耗抗疲劳的相变存储单元及制备方法，属于微电子学纳米材料与器件制备领域。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是一种新兴的半导体存储器，它是以硫系化合物为存储介质，利用电能(热量)使材料在晶态(低阻)与非晶态(高阻)之间相互转化实现信息的写入和擦除，信息的读出靠测量电阻的变化实现。与目前已有的多种半导体存储技术相比，包括常规的易失性技术，如静态随机存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)等，和非易失性技术，如铁电随机存储器(FeRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器(FLASH)等，具有非易失性、循环寿命长(＞10¹³次)、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照、耐高低温(-55-125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单(能和现有的集成电路工艺相匹配)等优点。因此不仅将被广泛应用到民用的日常便携电子产品，而且在航空航天等军事领域有巨大的潜在应用。国际上已有Ovonyx、Intel、Samsung、Hitachi、STMicroelectronics和British Aerpspace等大公司在开展PCM存储器的研究，正在进行技术的完善与可制造性等方面的研发工作。

目前最为重要的研究热点在于实现相变存储器操作时的低压与低功耗。对于常用的T型结构相变存储器单元，研究发现真正应用于硫系材料薄膜层相变的热量仅仅占到外部供给热量总额的0.2-1.4％，而60-72％的热量通过底W电极扩散回衬底方向。过多的热量经由底电极的散失必然导致相变过程中操作电压/电流的增加，能耗随之升高，影响到与CMOS的电压/电流匹配，而且扩散至器件底部的过多热量对于底部的CMOS工作的稳定性是潜在的不利因素。另外，含Sb与Te元素的相变材料中，在相变操作的过程中，长期反复的高温写擦操作会导致材料内部本身的成分偏析，而且Sb或Te向界面处偏析，并与活泼的电极材料反应的现象也被证实是对器件可靠性的极大威胁。尽管目前有众多新研究新发现能够有效地降低器件功耗，但在保证器件低功耗的同时，如何提高器件的抗疲劳特性已成为各种新研究能够适用于实际应用的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗抗疲劳的相变存储单元及制备方法。

为了达到上述目的及其他目的，本发明采用如下技术方案：

一种低功耗抗疲劳的相变存储单元，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底之上的下电极；

位于所述下电极之上的绝缘层，在所述绝缘层中开设有通孔；

位于所述通孔内的介质材料过渡层，所述介质材料过渡层与所述下电极接触；

位于所述介质材料过渡层之上的复合相变材料层，所述复合相变材料层位于所述通孔内；

以及位于所述复合相变材料层之上的上电极；

其中，所述介质材料过渡层采用不与所述复合相变材料层发生反应的第一介质材料，所述第一介质材料可为Ta₂O₅、TiO₂、CeO₂中的一种或多种；所述复合相变材料层为相变材料和第二介质材料构成的复合材料，所述第二介质材料可为SiO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂、CeO₂中的一种或多种。

优选地，所述第一介质材料为TiO₂时，所述第二介质材料为HfO₂。

优选地，所述介质材料过渡层厚度为4-10nm。

介质材料过渡层由于具有较低的热导率，可以减小热量向加热电极的损失，提高热效率，降低器件功耗，同时由于介质材料过渡层具有较好的粘附性，可以增强相变材料与加热电极的粘附，有利于器件性能的稳定。复合相变材料层中相变材料与第二介质材料均匀复合，相变材料分布在第二介质材料形成的纳米框架结构中，一方面抑制了相变材料的结晶，提高了相变材料的晶化温度，另一方面相变材料的挥发得到了有效的抑制，组分偏析情况得到明显改善，增加了材料的稳定性。此外，由于大量晶界的引入，复合材料的热导率减小，器件操作过程中热量损失减小，有利于器件功耗的降低。