[发明专利]一种高速低功耗相变存储器单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提升相变存储单元操作速度，降低相变存储单元操作功耗的结构及其器件的制作方法，属于微电子学纳米材料与器件制备领域。

背景技术

相变存储器技术源于S.R.Ovshinsky对硫系化合物非晶态半导体的研究，他在20世纪60年代末70年代初报道了硫系化合物材料在电场激发下具有高、低阻值之间的转变现象，提出了相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想（Phys.Rev.Lett.,21,1450～1453,1968;Appl.Phys.Lett.,18,254～257,1971）。进入21世纪以来随着微电子制备技术与工艺的发展，器件中相变单元的尺寸可以缩小到纳米量级，相变存储器已成为国际上各研究机构和半导体公司的研发热点。相变存储器具有集成度高、功耗低、读写速度快以及非挥发特性等特点，与目前的动态随机存储器（DRAM）、闪存（FLASH）相变有巨大的优势。相变存储器不仅在民用市场上作为非易失性存储器具有广阔的应用前景，其优良的抗高低温冲击、抗辐照特性在航空航天等军事领域也同样具有重要的应用价值。从国际半导体工业协会对新型存储技术的预测发展演变来看，相变存储器技术是几种新兴的半导体存储技术中发展最为迅速、距离产业化最近的技术之一。考虑相变存储器的广阔应用前景，国际上Samsung,IBM,Hynix,Micron,Microchip等公司相继加入相变存储器的研发阵营，在技术的完善以及可制造性方面取得了显著成果。在2012年的国际固态电路大会（ISSCC2012）上，Samsung展示了20纳米，8Gbit的相变存储器，这也是目前已经公开的最大容量的相变存储器。

低压、低功耗、高速以及高密度是相变存储器的核心，蘑菇型存储单元结构被限制型结构取代是必然的趋势。现阶段，相变存储器技术的研究热点之一在于相变材料在非晶的高阻和晶态的低阻这两个状态之间的快速可逆转变。此外，相变材料中相变区域的体积将直接影响相变存储单元的相变速度和功耗。近年来，已经有部分关于结晶速度小于60纳秒的报道（Appl.Phys.Lett.,93,043121,2008;Nature Mater.4,347,2005），这个转变时间已经远远超过了写速度为10微秒的闪存的速度。如果非易失性存储器的性能得到进一步的开发，达到10纳秒左右的类似DRAM的转变速度，其商业应用潜力将会大大增加。因此进一步缩小相变区域的体积从而提高相变存储器的操作速度、降低相变存储器的操作功耗变得越来越重要。限制型结构是实现低压、低功耗、高速以及高密度的关键结构，CVD与ALD制备相变材料是实现限制型结构的核心技术，但是CVD与ALD面临最大的困难是料源与工艺。实现均匀的纳米填充，其难度较大，材料的纯度也是一大挑战。PVD可形成均匀的相变材料同时也可进行材料改性，但其无法满足小尺寸的限制型结构的要求。限制型结构的实现有赖于ALD/CVD对孔的填充以及抛光工艺技术的实现。

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提升相变存储器中相变存储单元操作速度，降低相变存储单元的操作功耗的相变存储器结构及其制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速低功耗相变存储器单元，所述相变存储器单元包括衬底、形成于所述衬底上表面的底电极、形成于所述底电极上并设有通槽或通孔的介质层、填充所述通槽或通孔并形成与所述底电极接触的加热电极、与所述加热电极接触的相变存储结构以及包覆所述相变存储结构的第一介质层；所述相变存储结构包括与所述加热电极接触的并设有切割面的相变材料层、位于所述相变材料层上的上电极以及包覆所述切割面的第二介质层；所述相变材料层与所述加热电极的接触面积小于所述加热电极在水平面上的投影面积。

优选地，与所述加热电极接触的相变存储结构大于等于1个。

优选地，与所述加热电极接触的相变存储结构为4个或4个以上。

本发明还提供一种高速低功耗相变存储器单元的制备方法，该方法包括以下步骤：

1）提供一衬底并在所述衬底上形成底电极材料层；

2）在所述底电极材料层上形成设有通槽或通孔的介质层；

3）填充所述通槽或通孔并形成与所述底电极接触的加热电极；

4）在步骤3）形成的结构上先形成相变材料层并图形化；接着形成上电极材料层；

5）图形化步骤4）之后获得的结构；