[发明专利]控制相变材料或相变存储单元体积变化的方法及相应结构

说明书

技术领域

本发明是涉及控制相变材料或相变存储单元体积发生变化的方法及相应结构，更确切地说本发明涉及一种根据相变材料和相变存储单元体积变化的原因提出控制体积发生变化的方法和相应的结构。属于微电子和器件可靠性领域。

背景技术

相变存储器具有诸多优点：体积小、驱动电压低、功耗小、读写速度快、高密度以及非挥发特性等，因而相变存储器的研究成为目前存储器研究的热点。目前应用前景比较明确的相变存储器大致分为两类，一类是已经商业化的多媒体数据光盘(DVD)，另一类是正处于研发中的硫系化合物随机存储器(C-RAM，Chalcogenide random access memory)。前者是借助相变前后非晶和多晶材料之间反射率的变化来进行数据“0”和“1”的存储，而后者是根据相变前后电阻率的差异来进行数据存储。在硫系化合物随机存储器中，一个状态(即多晶状态)电阻率较低，另一个状态(即非晶状态)的电阻率较高。逻辑“1”或逻辑“0”取决于相变材料所处的电阻态。该器件集诸多优点于一身，是目前被广泛看好的下一代存储器最有力竞争者，有着广阔的市场前景，它将替代目前广泛使用的闪存，从而在电子存储器领域占据重要一席，因此，它的发展受到了全球各大半导体公司的强烈关注。

而在C-RAM研发中，作为存储器媒介的相变材料的研究和性能的提升是核心内容，是提高C-RAM器件性能的关键技术之一。但是相变材料在加工、后处理、器件操作过程中出现体积变化或成分偏析现象，引起材料、器件性能的改变，导致其可靠性、寿命降低。在热处理下，一方面相变材料自身结构发生变化，从非晶到多晶转变，这种转变引起的体积变化；另一方面，含Sb与Te元素的相变材料在热处理中自身发生扩散、挥发现象，这种扩散、挥发也会引起体积变化和成分偏析。在器件的操作过程中，长期反复的高温写擦操作也会导致材料内部本身的成分偏析[J.Electrochem.Soc.153，G234(2006)]，而且Sb或Te向相变材料与介质材料的界面处偏析，并与活泼的电极材料反应的现象也被证实是对器件可靠性的极大威胁[Appl.Phys.Lett.90，141902(2007)和Appl.Phys.Lett.90，051908(2007)]。

本发明人在分析了相变材料和器件单元体积发生变化的原因，并且在不同的温度区间，两种因素起到不同的主导作用，在较低温区间，相变材料从非晶到多晶的结构变化引起的体积变化占主导地位；在较高温区间，扩散、挥发引起的体积变化占主导地位的基础上，拟提出相变材料或相变存储单元器件控制体积变化的方法。通过退火改善器件中相变材料结构的变化引起的体积变化，通过改进的器件结构控制相变材料的扩散、挥发和成分偏析。

发明内容

本发明的目的在于根据相变材料和相变存储单元体积发生变化的原因，提出控制相变材料和器件单元体积发生变化的方法及相应的结构，从而改进相变存储器的器件性能。相变材料在加工、后处理、器件操作过程中会出现体积变化。体积变化的原因是由于相变材料在热作用下发生了两种本质不同的变化，一种是相变材料自身结构的变化引起的体积变化；另一种是相变材料自身的扩散、挥发引起的体积变化和成分偏析。两种情况都会引起材料、器件性能的改变，导致其可靠性、寿命降低(图1)。本发明提出了在不同的温度区间，两种因素起到不同的主导作用。在较低温区间，结构的变化引起的体积变化占主导；在较高温区间，扩散、挥发引起的体积变化占主导。具体地说，在25℃～400℃较低温度区间，相变材料薄膜表面平滑，表明无明显挥发现象发生；在400℃～650℃较高温度区间，扩散、挥发和成份编析，如在500℃时，相变材料薄膜表面变得十分粗糙，表明相变材料已经部分挥发；650℃时，相变材料完全挥发。

此外，本发明通过退火改善器件中相变材料结构的变化引起的体积变化，通过改进器件结构，在相变材料周围包裹一层阻挡层材料，阻止相变材料的在加热过程中的扩散、挥发，以及在器件操作时发生的扩散、挥发。通过使用小加热电极在降低存储器的功耗的同时减少相变材料的成分偏析。

本发明的防止相变材料结构变化、扩散、挥发引起器件失效而提出的器件结构见图4。在衬底上制备底电极，底电极上覆盖介质层，介质层中镶嵌柱状加热电极制备成小的纳米加热电极，在小的纳米加热电极上端开槽，槽周围制备有一薄层相变材料包裹层，然后填充非晶相变材料，退火形成晶态相变材料中的有源区，最后晶态相变材料上端覆盖绝热材料，开孔引出上电极。

其主要工艺步骤：