[发明专利]微控制器用低功耗嵌入式相变存储器及其相变存储材料与制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微控制器用低功耗嵌入式相变存储器的材料、结构及其制造方法。本发明属于微电子学领域。

技术背景

在过去的十几年间，新型存储器如相变存储器(PCRAM)，电阻存储器(RRAM)，磁阻存储器(MRAM)等发展迅速，均在挑战传统的非易失性存储器(NVM)的市场。其中，PCRAM受到广泛的关注。PCRAM的前期研究主要集中在数据存储方向，以取代传统NVM为目标，以实现高速高密度及高可靠性为主要发展方向，取得了长足的进展；与此同时，PCRAM还可以有更广泛的应用，即开拓计算领域。研究证实在极小尺寸下的相变材料有着很好的电学性能，足够应用于动态随机存储器(DRAM)，这一发现使PCRAM在成为超级存储器的道路上迈出了重大一步。当传统DRAM与NVM在进一步减小其尺寸提高存储密度方向上遇到技术瓶颈时，多应用PCRAM的出现无疑给半导体存储器的发展带来曙光。

一个微型控制器中的存储单元包括两部分：作为系统内存的DRAM和用于数据存储的NVM。两者在器件性能要求上有一定的差别，如表1所示。

表1

DRAM的应用要求相变材料高速相变且具有高循环擦写次数，如Sb₇Te₃或Ge₂Sb₉Te₅材料；而NVM的应用则要求相变材料具有高的数据保持能力，如Si_3.5Sb₂Te₃或Si₂Ge₂Sb₂Te₅材料。众所周知，Si元素的掺杂有助于提高相变材料的数据保持力，在应用于DRAM的高速高循环次数但是低数据保持力的材料中掺入适当的Si，能有效的提高相变材料的稳定性。现今由于DRAM与NVM的原理及制备方法的差别，技术上是将两者分别制成器件后集成在芯片上。对于相变存储器，若能同时生长两种材料并将DRAM与NVM同时制备在一块芯片上，并减少光刻版的使用数量，将大大简化工艺步骤从而降低技术难度和产品成本。

如图1、图2所示，上海微系统与信息技术研究所、上海交通大学、上海复旦大学等研究均已证实多靶共溅(Si靶与Sb₂Te₃靶)可生成具有良好数据保持力的相变材料Si_xSb₂Te₃，但由于相分离和材料固有特性导致的氧污染使单靶溅射较难实行。而且CMOS工艺中多靶溅射工具并不普及，以至于相变材料Si_xSb₂Te₃需要靠其他的方法制备。本发明就是提供针对单靶溅射工艺，将应用于DRAM和NVM的两种不同相变存储器制备在同一芯片上的一种实用简单的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非易失性存储器(NVM)用相变存储材料的制备方法，以解决现有COMS工艺中单靶溅射不能得到性能良好的SiSbTe或SiGeSbTe相变材料的技术问题。

本发明的目的还在于提供一种微控制器用低功耗嵌入式相变存储器及其制造方法，将用于动态随机存取存储器(DRAM)的相变材料和用于非易失性存储器(NVM)的相变材料同时生长在同一基片上，在同一基片上同时制备出了DRAM及NVM所需的材料和结构，减少了光刻版的使用数量，大大简化了工艺步骤从而降低了技术难度和产品成本。

本发明一方面提供了一种非易失性存储器(NVM)用相变存储材料的制备方法，包括如下步骤：

1)在半导体衬底上利用单靶材射频磁控溅射得到化学式为Sb_aTe₃、Si_bSb_cTe₃或Ge_dSb_eTe₅且厚度不超过10nm的相变材料薄膜；其中：2≤a≤7，0＜b≤1，2≤c≤7，0＜d≤2，4≤e≤10；

2)在步骤1)所得薄膜上注入Si离子，形成化学式为Si_mSb_nTe₃或Si_zGe_xSb_yTe₅的相变材料薄膜；其中：2≤m≤5，2≤n≤7，2≤z≤9，0＜x≤2，4≤y≤10；