[发明专利]相变和阻变合二为一实现多态存储的存储器单元及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变和阻变合二为一实现多态存储的存储器单元及方法，更确切地说是利用在一个存储单元中同时实现相变和阻变，从而达到多态存储，存储单元是由两层及两层以上相变材料和阻变材料组成的叠层结构，属于微电子学中纳米器件与制备工艺领域。

背景技术

在当前众多的可能替代现有的存储技术而成为商业化的新型存储技术中，相变存储器(PCRAM)和基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存取存储器(RRAM)的内存技术被普遍看好。PCRAM被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商用前景。PCRAM具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来FLASH将遭遇尺寸缩小限制，而PCRAM在65nm节点后会有越来越大的技术优势。同样，RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值也会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。RRAM在许多方面具有与PCRAM可比拟的优异性能，近年来，国际上很多电子和半导体公司都愿意投下大量的财力与人力在致力于RRAM的研制。国际知名半导体公司如英特尔、三星、意法半导体、飞利浦、国际商业机器公司和艾必达等花大量人力和物力对此技术进行开发，目前已研制出最大容量为512Mb的PCRAM试验芯片。目前正在从事开发RRAM技术的公司有Sharp、Sony、Samsung Electronics、LSI Logic、Matsushita ElectricIndustrial、Winbond Electronics等。

PCRAM和RRAM的研究的重要方向之一是如何提高存储容量。虽然可以通过超精细加工手段减小存储单元本身的尺寸来提高器件的存储密度，从而提高存储容量，但是过高的存储密度会带来不可避免的串扰问题(包括热、电、磁串扰)及由高密度带来的各种寄生效应。多态存储提是高存储容量的另一重要途径，可以在较低的器件密度下实现高的存储容量，避免高密度的缺陷。目前实现多态存储的方法有利用掺氮的相变材料，或者复合相变材料，如Semiconductor Science and Technology Vo.19，L61(2004)，Appl.Phys.AVo.84，21(2006)，等。但是其不同态之间的阻值差别不大，不利于维持器件的可靠性。本发明拟提出一种由两层及两层以上相变材料和阻变材料组成的叠层结构作为存储单元，将相变和阻变合二为一，利用相变材料相变和阻变材料的阻变实现多态存储。试图通过集相变与阻变于同一个存储单元，经相变、阻变后不同阻态之间的阻值差别可以达到一个量级以上，有利于提高器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变和阻变合二为一实现多态存储的存储器单元及方法。

本发明基于相变材料在电脉冲作用下可以发生非晶(高阻)、多晶(低阻)可逆转变，阻变材料在电脉冲作用下也可以发生高阻态、低阻态的可逆变化。将二者结合构成两层及两层以上叠层结构，将可以产生三个及三个以上的阻态，从而实现多态存储。本发明的器件结构特点是由相变材料和阻变材料组成的叠层存储单元结构。

本发明提出的合二为一实现多态存储的存储器件单元结构由顶电极、存储介质(由相变材料和阻变材料形成的两层及两层以上叠层结构)、导电塞、底电极、衬底等组成。首先利用微纳加工手段制备出纳米尺度的导电塞，然后在纳米尺度的导电塞上依次沉积阻变材料和相变材料，接着在相变材料和顶电极之间增加一薄层电阻率小、热导率适中的热阻材料以改善器件的界面匹配和热平衡。本发明的特征是在纳米尺度的导电塞上形成阻变材料与相变材料构成的两层或两层以上叠层结构。本发明的另一特征是利用相变材料的相变特性和相变材料的阻变实现多个阻态，即通过相变材料和阻变材料依次发生相变、阻变或者通过阻变材料和相变材料依次发生阻变、相变获得两个及两个以上阻态，实现多态存储。

本发明提供的合二为一的可实现多态存储的存储器单元，包括包括底电极、绝缘介质层和顶电极，其特征在于所述的存储器单元结构有以下两种：

A结构

(a)绝缘介质层上制备有纳米级孔洞，在孔洞中填充金属导电材料，形成导电塞；

(b)导电塞上依次沉积阻变材料和相变材料，或依次沉积相变材料和阻变材料，形成相变和阻变合二为一的两层或两层以上的叠层结构作为存储单元；

B结构

(a)绝缘介质层上制备有纳米级孔洞，在孔洞中填充有金属导电材料，形成导电塞；

(b)将导电塞顶端氧化形成阻变氧化物塞；