[发明专利]低功耗相变存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种微电子技术领域的相变存储单元及其制备方法，尤其涉及一种低功耗相变存储单元及其制备方法。

背景技术

与市场上主流的半导体存储技术相比，相变存储器具有很多优点，诸如高密度、低功耗、操作快、循环寿命长等，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出。因此，相变存储器被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在高密度、高速、低压、低功耗和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。

相变存储器以硫系化合物为存储介质，在电脉冲下产生的焦耳热使材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转化实现信息的写入和擦除，信息的读出是通过测量存储器电阻值来实现的。当前相变存储器存在的主要问题是写电流过大。随着器件尺寸的缩小，晶体管的驱动能力也随之变小，难以满足相变储器的操作电流要求。

减小相变存储器的擦写操作电流通常有以下几种方法：一是选用低熔点和低热导率的相变材料。相变材料是相变存储器的核心，选用低熔点和低热导率的相变材料能够显著降低写操作电流。二是采用纳米复合相变材料。将相变材料与介质材料在纳米尺度内复合形成纳米复合材料。介质材料可以充当微加热中心并有效利用热量使相变材料发生相变，并且减少了有效编程体积，有助于减小擦写操作电流。三是采用人工构造类超晶格的多层相变薄膜或纳米线器件。四是优化器件结构减小相变材料与电极的接触面积。然而，在高密度的大前提下，将写电流进一步减小，以便MOS管驱动兼容，仍然是相变存储器发展必须面对的问题。

因而，如何提供一种写操作电流小及功耗低的相变存储器是当前技术领域需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于低功耗相变存储单元，用于解决现有技术中相变存储材料表现出的写操作电流大，功耗高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低功耗的相变存储单元，该相变存储单元包括上下两个电极，所述上下两个电极至少一个为由两种不同导电材料以纳米级厚度交替层状生长而成的多层结构。

较佳地，上下两个电极均为由两种不同导电材料以纳米级厚度交替层状生长而成的多层结构。

较佳地，所述导电材料选自TiN、Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN及AlN中的任意两种。

较佳地，所述多层结构的厚度为30～500nm。

较佳地，所述相变存储器进一步包括位于下电极下方的介质材料层，所述介质材料为Si₃N₄层或SiO₂层。

本发明还提供一种制备低功耗相变存储单元的方法，该方法包括以下步骤：

1）提供一半导体衬底后沉积绝缘层；

2）在该绝缘层上制备下电极；

3）沉积介质层，然后将下电极上方的介质层去除；

4)依次制备相变材料层和上电极

5）采用曝光-刻蚀工艺得到相变存储单元；

其中，制备下电极或/和上电极时，采用两种不同导电材料以纳米级厚度交替层状生长而成。

较佳的，采用磁控溅射法、化学气相沉积法或ALD来制备介质层、相变材料层、上电极及下电极。

本发明的相变存储单元，其特点是，所述的多层电极因为界面效应使得它的热导率较小，这样就更好地使相变材料聚热，减小了向电极部分的热扩散，提高了加热效率。因为焦耳热被充分用来加热相变材料，以至于较短的脉冲就可以使相变材料达到相变的温度点，这有利于降低“写”操作电流和功耗。因此，与传统的单层电极相变存储器相比，所述的多层电极相变存储器具有写操作电流小、功耗低的特点。

附图说明

图1为本发明的下电极为多层的相变存储单元的示意图。

图2a-2b为本发明的下电极为多层相变存储单元部分制备步骤结构示意图。

图3为本发明的上电极为多层的相变存储单元的示意图。

图4a-4c为为本发明的上电极为多层相变存储单元部分制备步骤结构示意图。

图5为本发明的多层上电极相变存储单元与传统相变存储单元在室温下的电阻与电压关系曲线。

图6为本发明的多层上电极相变存储单元与传统相变存储单元在120°C下的电阻与电压关系曲线。

图7为本发明的多层上电极相变存储单元在120°C下的疲劳性能测试结果。

元件标号说明

1、11        衬底

2、12        介质层