[发明专利]相变材料呈环形的相变存储器器件单元及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变材料呈环形的非易失性相变存储器器件单元及其制作方法，属于微纳电子技术领域。

背景技术

相变随机存储器(PC-RAM，Phase Change-Random Access Memory)技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254，1971)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。PC-RAM存储器关键材料相变合金的特点是当给它一个电脉冲时可以使材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变。处于非晶态时呈现高阻，多晶态时呈现低阻，变化幅度可达几个数量级。但由于制备技术和工艺的限制，相变材料只能在较强电场下才发生相变，这就限制了其实用化研制的进程。随着纳米制备技术与工艺的发展，器件中相变材料的有效相变区域尺寸可以缩小到纳米量级，材料发生相变所需的电压大大降低、功耗减小，同时材料的性能也发生了巨大变化。

PC-RAM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、成本低、可多级存储、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。国际上有Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi、IBM、Phlips和British Aerospace等大公司在开展PC-RAM存储器的研究，目前正在进行技术完善和可制造性方面的研发工作。

PC-RAM存储器实现商业化的关键之一在于存储器操作电流的减小，目前采用的主要措施是减小加热电极材料与相变材料之间的接触面积、增加加热电极材料和相变材料的电阻、完善器件结构设计等。目前已有的相变存储器器件单元的结构有许多种，包括边接触(Symposium on VLSI TechnologyDigest of Technical Papers，175，2003)、相变材料纳米线结构(Nature Materials，4，347，2005)、μ形结构(IEEE Solid-State Circuits，40，1557，2005)、同轴限定结构(Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers，6B-1，96，2005)、环形电极结构(Jpn.J.Appl.Phys.，46，2001，2007)、相变材料桥式结构(IEDM，2006)和垂直二极管与自对准下电极结构(ISSCC，472，2007)等。然而随着器件特征尺寸的减小，目前的半导体工艺水平很难满足尺寸小至十几个甚至几个纳米的结构制备的需求。上述环形电极结构是通过把下电极加工成环形，使电极与相变材料之间的接触面积大大减小，同时使电极的电流密度提高，发热效率得到很大改善，从而起到降低操作电流的作用，然而这种结构的缺点是相变材料尺寸比电极材料的大，相变过程中发生相变的区域不容易控制，可以在一定范围内变化，从而会导致电阻值存在较大的变化范围，给器件操作带来难度，但如果将相变材料加工成环形，不仅同样可以起到减小电流的作用，而且相变区域也可以很好控制，减小电阻值的分布范围，增加器件的可控性。为此，本发明考虑到采用先进的薄膜材料制备技术可以制备出环形相变材料，再通过纳米加工技术可以将环形相变材料与电极集成在一起，构成相变存储器器件单元。由于环形相变材料的横向薄膜厚度可以很小，使相变材料与电极之间的接触面积大大减小，从而降低器件的操作电流，这正是本发明的构思出发点。本发明与采用相变材料纳米管作为存储材料(中国发明专利，申请号：200510110783.x)的构思有相似之处，但是最大不同之点在于器件结构及其制备方法都存在很大差异。

发明内容

本发明的目的是在于提供相变材料呈环形的非易失性相变存储器器件单元及制作方法，以达到降低器件单元操作电流、减小功耗和增加器件可靠性的目的。

本发明所提供的相变存储器器件单元的制备过程，具体如下：

1)在衬底上制备第1绝缘材料层(如图1所示)，所采用的方法为溅射法、蒸发法、等离子体辅助沉积法、化学气相沉积法和原子层沉积法中任意一种。其中的绝缘材料由氧化物、氮化物、碳化物或硫化物中一种构成或至少两种形成混合物构成；衬底为硅片、绝缘层上的硅衬底、玻璃、GaAs、SiO₂、塑料或晶体材料中任意一种。