[发明专利]新型相变存储单元结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型相变存储单元结构及其制备方法，属于微纳电子技术领域。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末（Phys. Rev. Lett., 21, 1450-1453, 1968）70年代初(Appl. Phys. Lett., 18, 254-257, 1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件功耗等。相变存储器的基本原理是利用硫族材料的可逆相变而产生的电阻差异的变化来表征两种状态，从而实现数据的存储。

存储器内的相变材料从低阻态（结晶态）向高阻态（非晶态）转变时，需要大到足以融化相变材料的电流流经存储器，而此电流作用时间很短，相变材料在快速冷却的过程中，从熔化态变为非晶态，使得相变材料呈现高阻态，这种状态转变称为“复位”（RESET）操作。为了使存储器从高阻态转变为低阻态，需要一个较低的电流流经存储器内的相变材料，加热使相变材料的温度超过其相变温度，相变材料逐渐结晶并呈现低阻态，这种状态转变称为“置位”（SET）操作。而为了读取存储器的阻值高低，需要施加一个比置位电流还要小得多的电流，通过测量存储器的电压值来确定阻值。所以，相变存储器主要是由电流通过相变材料产生的焦耳热来使材料发生相变从而实现数据的存储。由此带来的问题就是在集成度逐渐提高的情况下，整个器件的功耗也会较大，且会出现热串扰等不良现象。

存储器的研究一直朝着随着高速、高密度、低功耗、高可靠性的方向发展。目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点之一是如何减小相变存储器的加热电极尺寸，目前比较普通采用的是三星公司的侧壁接触型加热电极（Proc. Symp. Very Large Scale Integr. (VLSI) Technol., 2003: 175-176）、环形加热电极（Jpn. J. Appl. Phys., 2006, 45(4B): 3233-3237）与刀片状加热电极（IEEE Conference Proceedings of International Electron Devices Meeting, 2011, 3.1.1-3.1.4）和意法半导体公司的μ型加热电极（Proc. Symp. Very Large Scale Integr. (VLSI) Technol., 2004: 3.1:18-19），但上述结构中的电极周围都以氧化物介质层为主，其缺点是在进行相变存储器的RESET操作时，所流过的电流密度很高，加热电极的温度很高，经过多次操作循环后，加热电极很容易因氧化物介质中的氧扩散被氧化，致使加热电极的电阻升高，在加热电极上的分压过多，使得相变材料的压降减少，最终导致无法使相变材料进行正常的写擦操作而失败。究其原因是因为加热电极的氧化导致其阻值变化较大造成的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型相变存储单元结构及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新型相变存储单元结构，包括依次沉积于衬底上的第一电极层、氮化物绝缘材料层、相变材料层和第二电极层，所述氮化物绝缘材料层内设置有加热电极，所述加热电极分别与所述第一电极层和所述相变材料层电性接触，并且所述相变材料层还与所述第二电极层电性接触。

作为较佳实施方案之一，所述氮化物绝缘材料层包括依次形成在第一电极层上的第一绝缘材料层、第二绝缘材料层和第三绝缘材料层，所述第一绝缘材料层、第二绝缘材料层和第三绝缘材料层内分别设有第一加热电极、第二加热电极和第三加热电极，所述第一加热电极一端部与第一电极层电性接触，另一端部与第二加热电极的一端部电性接触，所述第二加热电极的另一端部与第三加热电极一端部电性接触，所述第三加热电极另一端部与所述相变材料层电性接触。

进一步的，所述氮化物绝缘材料层还包括形成在第三绝缘材料层上的第四绝缘材料层，所述相变材料层分布在所述第四绝缘材料层中，且所述相变材料层的两端部分别与第二电极层和第三加热电极电性接触。

进一步的，所述加热电极采用氮化物加热电极。

进一步的，所述相变材料层可以为蘑菇型、限制型或直线型，但不限于此。