稳定阈值电压的低功耗相变存储器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种稳定阈值电压的低功耗的相变存储器及其制造方法，该相变存储器包括：上电极、下电极、位于上、下电极之间的相变材料层以及与所述相变材料层接触的保温层；所述相变材料层的厚度大于３ｎｍ，并且小于等于ｄ，ｄ为擦操作时在所述相变材料层底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离。本发明专利技术提出了最佳的相变材料层厚度，一方面能够有效的限制相变区域，保证器件操作时获得稳定的阈值电压，另一方面有效地控制热量分布，提高器件操作的热效率，降低器件功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，涉及一种相变存储器及其制造方法，尤其是指一种 稳定阈值电压的低功耗的相变存储器及其制造方法。
技术介绍
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的，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 引出电极材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 件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶 态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信 息的写入、擦除和读出操作。相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗 强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成 为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电 流脉冲信号擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度 升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1” 态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升 到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶 态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的 很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。人们对降低器件功耗做了许多工作，包括提出各种改良结构，像环形电极(Ahn， S. J. et al. ,Highly reliable 50nm contact cell technology for256Mb PRAM,Symposium on VLSI Technology, 2005. page 98-99)，或者通过相变材料和加热电极的横向电极尺度 控制在同一纳米区域范围(申请号=200810041393. 5)；如生长直径和高度可以控制在50nm 左右相变纳米点(申请号=200510030637. 6)；如相变材料中填充绝缘绝热材料(申请号 200810034940. 7)，(申请号200610028107. 2)，(申请号200810033601. 7)或者直接做成 环形相变材料结构(申请号200710043924.X(已授权))；如通过绝热层的排挤发生相变 区域的尺寸大约在2到200nm范围(申请号200410053752. 0)；或者直接把相变材料层做 成形成两头粗、中间细的形状，可以通过不同腐蚀速率腐蚀液腐蚀上下电极和合金(申请 号200310109372.X)；还有可以制作出“倒塔”型纳米级相变存储单元凹孔阵列倒塔内可 填充相变材料和电极材料(申请号=200710044609. 9)；或者采用横向器件结构，在碳纳米 管上沉积相变材料，横向直径可以控制在IOOnm(申请号200910045816. 5)；或者添加如加 热层材料为 ZrO2, HfO2, Ta2O5 (申请号 200710044476. 5)，TiO2 (申请号200810033519. 4)、Ti (申请号200910045929. 5)的保温层，这些工作有效地降低了器件操作的功耗，但是各个 研究中没有提到对相变材料厚度的限制。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题在于提供一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器及其制作方法，提出最佳相变材料厚度，一方面保证器件提供稳定的阈值电压，另一方面实现 降低功耗。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器，包括上电极、下电极、位于上、下电极之 间的相变材料层以及与所述相变材料层接触的保温层；所述相变材料层的厚度大于3nm， 并且小于等于d，d为擦操作时在所述相变材料层底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离。其中，所述保温层采用电导率要比所述相变材料层的电导率低的材料，可以是其 他相变材料，也可以是多晶锗(poly_Ge)、氧化钨(WO3)、氧化钛(TiO2)中的一种或多种。 所述保温层位于所述相变材料层与下电极之间，或所述相变材料层与上电极之间。在下电 极上可以沉积过渡层，如 &02、HfO2, Ta2O5, TiO2, Pt、Ti、TiN, LaNi03、LaSrCoO3^ LaSrMnO3> SrRuO3> CaRuO3 或者 GeSiN。由于非晶区域会随施加电流的大小而变化，因此d也会随施加电流的大小而变 化，另外器件的尺寸、材料等对d的值也有影响。因此为了找到具体器件的相变材料厚度的 上限值，使其小于等于d，则需要通过对具体器件进行计算模拟。因此本专利技术还提供一种确定相变存储器中相变材料层厚度上限的方法，其特征在 于计算电热耦合温度场，模拟相变存储器的擦操作过程，通过调整相变材料的厚度，找到 当相变材料中的非晶区域刚达到相变材料顶端时，在相变材料底面从下电极边缘到非晶区 域边缘的最短距离d与该相变材料厚度相等的情况，此时相变材料的厚度值即为相变材料 层厚度的上限X。通过上述的方法，当下电极直径为IOOnm时，所述相变材料层的厚度在3nm-50nm 之间；当下电极直径为50nm时，所述相变材料层的厚度在3nm-37nm之间。一种所述稳定阈值电压的低功耗相变存储器的制造方法包括如下步骤a)对衬底用光刻工艺刻蚀出第一窗口，在第一窗口中填充电极材料，形成下电 极；b)在下电极上沉积介质材料，并用光刻工艺刻蚀出第二窗口，露出所述下电极；c)在第二窗口中沉积相变材料，使其厚度在3nm-Xnm之间，其中，相变材料层厚度 的上限χ根据上述方法确定；d)在所述相变材料上沉积保温层；e)在所述保温层上覆盖一层电极材料，并刻蚀形成上电极；f)填充介质材料，并制备位线。其中，所述保温层的材料可以采用电导率比所述相变材料层低的其他相变材料， 或者可以采用多晶锗、氧化钨、氧化钛中的一种或多种。所述相变材料层与下电极之间可以 沉积有过渡层，所述过渡层的材料选自Zr02、Hf02、Ta205、Ti02、Pt、Ti、TiN、LaNi03、LaSrCo03、LaSrMnO3> SrRuO3> CaRuO3> GeSiN 中的一种或多种。本专利技术的有益效果在于在本专利技术中，通过限制相变材料厚度，能够有效地控制非晶区域，得到稳定的非晶 厚度值，从而得到稳定的阈值电压，这点对于器件稳定性有很大作用。但是另一方面，降低相变材料厚度造成热散失增加，要实现操作就需要更高的功 耗，因此在本专利技术中提出添加电导率比相变材料低的材料作为保温层，因为降低保温层材 料电导率能够有效提高保温层的加热效率，有效地控制热量分布，提高 器件操作的热效率， 降低器件功耗。同时，对相变材料的最佳厚度做出了规定，控制相变材料的厚度下限为3nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稳定阈值电压的低功耗相变存储器，其特征在于，包括：上电极、下电极、位于上、下电极之间的相变材料层以及与所述相变材料层接触的保温层；所述相变材料层的厚度大于３ｎｍ，并且小于等于ｄ，ｄ为擦操作时在所述相变材料层底面从下电极边缘到非晶区域边缘的最小距离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚岳峰，宋志棠，凌云，张挺，刘波，李宜瑾，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]