本发明专利技术提供一种含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法，所述相变存储单元包括相变材料层和位于其下方的下电极，所述相变材料层和下电极之间由一TiSiN材料层连接，所述下电极包括一底部和一与该底部连接的片状侧部，所述片状侧部垂直于所述底部，形成刀片结构，所述片状侧部的顶端与所述TiSiN材料层接触。本发明专利技术采用退火增加电极晶粒尺寸从而降低整体器件电阻，并在所述下电极顶端形成TiSiN材料层从而减小有效操作区域。将本发明专利技术的相变存储单元应用于相变存储器中，具有低功耗、高密集度和高数据保持能力的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子
，涉及一种低功耗相变存储单元及其制备方法，特别是涉及一种。
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“I”态到“O”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“O”态到“I”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 for 256Mb 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；如生长直径和高度可以控制在50 nm左右相变纳米点；如相变材料中填充绝缘绝热材料或者直接做成环形相变材料结构；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；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；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；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 ;或者添加如加热层材料为Zr02，HfO2, Ta2O5, Ti02、Ti的保温层，这些工作有效地降低了器件操作的功耗。NXP-TSMC 发表的文献“Phase change memory line concept for embeddedmemory applications”中提到了刀片结构，同时中科院微系统所的一件专利(一种制备相变存储器纳米加热电极的方法)也提到通过微纳米加工技术制备，实现了利用较大的纳米加热电极的基础上制备小孔洞的制备方法。但是各个研究中没有提到利用离子束注硅的方法，使TiN电极成为TiSiN，通过控制硅的注入计量控制TiSiN材料层的厚度，通过TiSiN高电阻的过渡层，使得相变材料有效操作区域靠近电极，有效操作区域减小，提高加热效率的同时，减低操作电流，尤其减小了多晶向非晶转化使得操作电流，实现IDlR高密度集成与减小器件功耗。鉴于此，有必要设计一种有TiSiN材料的新的相变存储器单元结构以实现器件低功耗，高密度和高稳定性。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种，用于解决现有技术中相变存储单元功耗高、热稳定性差、相变速度慢的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种含有TiSiN材料层的相变存储 单元及其制备方法。本专利技术的相变存储单元具有高数据保持力，高速低功耗的特点。本专利技术采用如下技术方案，一种相变存储单元，其包括相变材料层和位于其下方的下电极，所述相变材料层和下电极之间由一 TiSiN材料层连接。可选地，所述下电极包括一底部和一与该底部连接的片状侧部，所述片状侧部垂直于所述底部，形成刀片结构，所述片状侧部的顶端与所述TiSiN材料层接触。可选地，所述片状侧部的厚度范围是5 40 nm。可选地，所述相变材料为GeSbTe, GeTe, SbTe, AsSbTe, SbTe, GeBiTe, SnSbTe,InSbTe和GaSbTe中的任意一种。可选地，所述相变材料为GeiSbjTek,其中0〈i, j, k〈l ;i+j+k=l。可选地，所述TiSiN材料层的电导率小于所述相变材料的电导率。可选地，所述TiSiN材料层的热导率小于所述相变材料的热导率。可选地，所述下电极的材料为TiN、W、Ta或Pt中的任意一种。本专利技术还提供一种相变存储单元的制备方法，该方法包括以下步骤I)提供一基底，该基底包括金属层及覆盖于所述金属层上的绝缘层；2)刻蚀所述绝缘层直至所述金属层，在所述基底上形成直达所述金属层的绝缘凹槽；3)然后沉积加热金属材料，使其覆盖所述绝缘层和绝缘凹槽的表面；4)去除所述绝缘凹槽内一侧的部分加热金属材料；沉积介质材料,填满所述绝缘凹槽，然后进行抛光去除所述绝缘凹槽外和所述绝缘层上的加热金属材料和介质材料，所述绝缘凹槽内剩余的加热金属材料形成下电极；所述下电极包括一底部和与该底部连接的一片状侧部，形成刀片结构；5)在所述下电极的顶端形成一 TiSiN材料层；6)在所述步骤5)形成的结构上沉积相变材料层，然后在所述相变材料层上制备出上电极。可选地，于所述步骤6)中，在沉积相变材料层之后，还包括一退火过程。可选地，所述下电极的材料为TiN，并且于所述步骤5)中，通过在所述下电极顶端进行离子束注硅的方法得到TiSiN材料层。可选地，所述下电极的材料为TiN、W、Ta或Pt中的任意一种，并且于所述步骤5)中，采用镀膜工艺在所述下电极的顶端形成TiSiN材料层。可选地，所述相变材料层为蘑菇型、限制型或直线型。如上所述，本专利技术的，具有以下有益效果第一，在与CMOS工艺兼容的基础上，通过退火增加电极的晶粒尺寸来增加其电导率，同时可减小各个界面间的接触电阻，从而减小整体器件电阻；第二，在底电极的顶端想成TiSiN材料层，通过控制硅的注入计量控制TiSiN材料层的厚度，通过TiSiN高电阻的过渡层，使得相变材料有效操作区域靠近电极，有效操作区域减小，提高加热效率的同时，减低操作电流，尤其减小了多晶向非晶转化时的操作电流，对实现IDlR高密度集成与减小器件功耗非常有利；第三，有效操作区域减小降低功耗，也可以减小器件操作对周围存储单元的串扰，从而提高器件密度；第四，有效操作区域减小降低功耗，减小了多晶向非晶转化造成成分偏析的程度，可有效地提升器件良率和读写次数，第四，该电极优化结构不仅适用 于现有的蘑菇型相变材料层结构，也同样适用于限制型优化结构和直线结构。附图说明图I显示为本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种含有TiSiN材料层的相变存储单元，其包括相变材料层和位于其下方的下电极，其特征在于：所述相变材料层和下电极之间由一TiSiN材料层连接。
【技术特征摘要】
1.一种含有TiSiN材料层的相变存储单元，其包括相变材料层和位于其下方的下电极，其特征在于所述相变材料层和下电极之间由一 TiSiN材料层连接。2.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述下电极包括一底部和一与该底部连接的片状侧部，所述片状侧部垂直于所述底部，形成刀片结构，所述片状侧部的顶端与所述TiSiN材料层接触。3.根据权利要求2所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述片状侧部的厚度范围是5 40 nm。4.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述相变材料为 GeSbTe、GeTe、SbTe、AsSbTe、SbTe、GeBiTe、SnSbTe、InSbTe 和 GaSbTe 中的任意一种。5.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述相变材料为 GeiSbjTek,其中 0〈i，j，k〈l ;i+j+k=l。6.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述TiSiN材料层的电导率小于所述相变材料的电导率。7.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述TiSiN材料层的热导率小于所述相变材料的热导率。8.根据权利要求I所述的含有TiSiN材料层的相变存储单元，其特征在于所述下电极的材料为TiN、W、Ta或Pt中的任意一种。9.一种含有TiSiN材料层的相变存储单元的制备方法，其特征在于，该方法包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，龚岳峰，饶峰，刘波，亢勇，陈邦明，
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：
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