[发明专利]用于替代DRAM及FLASH的相变存储单元及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种用于替代DRAM及FLASH的相变存储单元及其制作方法。

背景技术

相变存储器利用操作信号产生焦耳热对相变材料进行操作，使其在不同的相之间进行转变，从而体现出高低电阻值差异，完成对信息的存储。相变存储器由于其操作速度快，数据保持力好，循环操作能力强，与传统CMOS工艺兼容，并且在小尺寸时仍能保持其操作性能，所以被认为是最有希望的下一代非挥发性存储器之一。随着器件尺寸的缩小，尺寸效应对相变材料的影响仍是现在相变存储器研究的热点。

研究者对尺寸效应对相变材料热稳定性的影响屡见报道。例如，文献（JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 114310（2008））曾报道了GeSb，Sb2Te，NGST，GST，AIST的结晶温度随薄膜厚度的变化。当相变材料薄膜厚度在10纳米以上时，相变材料的结晶温度随厚度的变化非常微弱。当相变材料薄膜厚度低于10纳米时，相变材料的结晶温度随着薄膜厚度的减小有不同程度的提高。例如随着薄膜由10纳米减小到2纳米，Sb2Te，GeSb，GST，AIST材料的结晶温度分别提高了将近150，50，200，100摄氏度。

文献（SCIENTIFIC REPORTS 2:360 DOI:10.1038/srep00360）报道了尺寸效应同时也影响着相变材料薄膜结晶速度。当相变材料厚度减薄，材料的比表面积增加，而界面由于存在缺陷而容易形成晶核。而晶核的存在为相变材料的结晶过程缩短了晶核形成时间，减少了结晶过程所需时间，进而提升了相变存储器的操作速度。当晶核形成时间缩短，晶粒成长变成为影响结晶时间的主要因素。而晶粒生长时间随着尺寸缩小而变短，这就保证了小尺寸器件更快的相变速度。

相变存储器利用操作信号产生焦耳热对相变材料进行操作，使其在不同的相之间进行转变，从而体现出高低电阻值差异，完成对信息的存储。操作功耗的有效部分为实现相变材料相转变部分的能量。相变区域越小，所需能量越小，器件功耗降低。而限制型结构相变存储器正是通过减小相变区域降低了器件操作功耗。刀片结构，环形结构等小尺寸电极的制备其目的也是减小相变区域，从而降低功耗。

相变存储器的主要失效原因是由于相变材料的元素偏析导致的材料均匀性降低。而元素扩散主要发生在操作时电流产生的高温条件下，高温持续时间越长元素偏析越严重。所以对相变材料长时间高功率操作会促使元素偏析，加快器件失效，降低器件可循环操作次数。而具有低功耗快速操作特定的相变存储器在操作时由于操作时间短，每次操作对材料的元素偏析效果降低，有利于提高器件循环操作次数的能力。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于替代DRAM及FLASH的相变存储单元及其制作方法，用于解决现有技术中相变存储单元的相变材料尺寸大导致器件操作速度慢、功耗高以及循环操作能力低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于替代DRAM及FLASH的相变存储单元及其制作方法。本发明的相变存储单元具有高数据保持力，高速低功耗的特点。

本发明采用如下技术方案，一种相变存储单元，其包括相变材料层和与其接触并位于其下方的圆柱体下电极，所述相变材料层由侧壁层与圆形底层连接而成，并形成上部开口的空心圆柱体或空心倒圆台，所述空心圆柱体或空心倒圆台内部填充介质层。

可选地，所述圆形底层的直径等于或大于圆柱体下电极的直径。

可选地，所述圆形底层的直径范围是5~30 nm。

可选地，所述圆柱体下电极的直径范围是2~30 nm。

可选地，所述圆形底层的厚度范围是1~10 nm，所述侧壁层的厚度范围是2~15 nm。

本发明还提供一种相变存储单元的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)提供一金属电极层，在所述金属电极层上生长第一介质层，并在所述第一介质层上制备出圆柱形孔，形成带有圆柱形孔的第一介质层；所述圆柱形孔的深度等于所述第一介质层的厚度；

2)在所述带有圆柱形孔的第一介质层上沉积下电极金属材料，并进行抛光去除所述圆柱形孔外的下电极金属材料，留下的下电极金属材料与所述第一介质层齐平；

3)在所述步骤2）中抛光后的结构上进行回刻，形成圆柱体结构或倒圆台结构的孔洞；剩余的下电极金属材料形成圆柱体下电极；