[发明专利]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，涉及相变存储单元及其制备方法，特别是涉及具有高密度、低功耗、高速的二维相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器（Phase Change Random Access Memory，PCRAM）利用操作信号产生焦耳热对相变材料进行操作，使其在不同的相之间进行转变，从而体现出高低电阻值差异，完成对信息的存储。相变存储器由于其操作速度快，数据保持力好，循环操作能力强，与传统CMOS工艺兼容，并且在小尺寸时仍能保持其操作性能，所以被认为是最有希望的下一代非挥发性存储器之一。

相变材料是相变存储器的信息存储介质，其热稳定性，固相稳定性，结晶速度，熔点等特性直接影响到相变存储器的数据保持力，循环操作寿命，操作速度和操作功耗。所以选择优秀的相变材料能最直接地提升相变存储器的性能。GeSbTe材料是被最广泛应用的相变材料，其最大特点是各方面性能均衡。GeSbTe是一种以成核结晶为主的相变材料，体现出均一稳定的晶相，数据保持力十年为90摄氏度，熔点为630摄氏度，结晶速度为50纳秒左右。而GeTe相变材料是一种以成生长结晶为主的相变材料，体现出均一稳定的晶相，数据保持力十年为100摄氏度，结晶速度可达到1纳秒，缺点为较高的熔点730摄氏度。TiSbTe是一种新型相变材料，以成生长结晶为主，体现出均一稳定的晶相，数据保持力十年可达110摄氏度，结晶速度可达到6纳秒，熔点540摄氏度，是一种很具潜力的相变材料。以上三种材料做成相变存储器件均具有很好的电学操作表现，是相变存储器制造首选的几种材料。

以上三种相变材料晶态时均呈现菱形的晶格结构，相邻原子之间的距离约为6埃。文献（nature doi：10.1038/nmat1215）报道称GST的相变只涉及Ge原子在不同位置之间的跳跃，而Ge原子所处的这个单元是三个原子为边长的立方体，边长约6埃，可以认为这个立方体的尺寸是相变进行的最小尺寸，这个立方体是最小的相变单元。相变材料为了完成相变，其任何一个维度的尺寸必须在6埃以上。

操作功耗的有效部分为实现相变材料相转变部分的能量。相变区域越小，所需能量越小，器件功耗降低。而限制型结构相变存储器正是通过减小相变区域降低了器件操作功耗。刀片结构，环形结构等小尺寸电极的制备其目的也是减小相变区域，从而降低功耗。而以上述的几种结构的器件电阻都是主要由相变材料薄膜的电阻决定的。

接触电阻是相变材料与金属电极接触的界面处产生的电阻，其大小和接触电阻率成正比和接触面积成反比，其中，接触电阻率由界面两边的材料决定，是界面的本质属性；接触面积越小，接触电阻越大。文献（APPLIED PHYSICS LETTERS 102，213503 （2013））报道非晶态相变材料GST与TiN界面的接触电阻率为1.58×10⁷Ω·μm²，几乎是晶态GST与TiN界面的接触电阻率为1.74×10⁴Ω·μm²的1000倍。

相变材料与金属电极之间的接触电阻在传统的相变存储单元的整体电阻中所占比例很小，远小于相变材料薄膜提供的电阻所占的比例。文献（APPLIED PHYSICS LETTERS 102， 213503 （2013））指出接触电阻所占比例小的原因是由于界面处残留了晶态相变材料层。由于传统相变存储器的RESET状态只需要在相变材料中形成一个非晶区域隔断上下电极之间的晶态低电阻通路，在RESET操作过程中界面处的相变材料由于受到高热导的金属电极快速散热，温度一直低于熔点，因此在界面残留了一层晶态相变材料层。晶态相变材料与金属电极界面在SET与RESET操作过程中一直维持在低电阻状态，对器件单元的总电阻影响非常小。同时文献（APPLIED PHYSICS LETTERS 102， 213503 （2013））也指出非晶态相变材料与金属电极之间的接触电阻是晶态相变材料与金属电阻之间的接触电阻约1000倍，能明显影响到器件的电阻值及所需的操作信号强度。

相变存储器的主要失效原因是由于相变材料的元素偏析导致的材料均匀性降低。而元素扩散主要发生在操作时电流产生的高温条件下，高温持续时间越长元素偏析越严重。所以对相变材料长时间高功率操作会促使元素偏析，加快器件失效，降低器件可循环操作次数。

相反地，由于低功耗快速操作的相变存储器在操作时由于操作时间短，每次操作对材料的元素偏析效果降低，有利于提高器件循环操作次数的能力，因此，如何制备具有低功耗快速操作特性的相变存储器是亟需解决的技术问题。