[发明专利]含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种低功耗相变存储单元及其制备方法，特别是涉及一种含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys. Rev. Lett., 21, 1450～1453, 1968)70年代初(Appl. Phys. Lett., 18, 254～257, 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，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变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、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。

相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作（RESET），当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作（SET），当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。

人们对降低器件功耗做了许多工作，包括提出各种改良结构，像环形电极（Ahn, S. J. et al. , Highly reliable 50nm contact cell technology for 256Mb PRAM，Symposium on VLSI Technology, 2005. page 98-99），或者通过相变材料和加热电极的横向电极尺度控制在同一纳米区域范围；如生长直径和高度可以控制在50 nm左右相变纳米点；如相变材料中填充绝缘绝热材料或者直接做成环形相变材料结构；如通过绝热层的排挤发生相变区域的尺寸大约在2到200nm范围；或者直接把相变材料层做成形成两头粗、中间细的形状，可以通过不同腐蚀速率腐蚀液腐蚀上下电极和合金；还有可以制作出“倒塔”型纳米级相变存储单元凹孔阵列倒塔内可填充相变材料和电极材料；或者采用横向器件结构，在碳纳米管上沉积相变材料，横向直径可以控制在100nm；或者添加如加热层材料为ZrO₂，HfO₂，Ta₂O₅，TiO₂、Ti的保温层，这些工作有效地降低了器件操作的功耗。

NXP-TSMC发表的文献“Phase change memory line concept for embedded memory applications”中提到了刀片结构，同时中科院微系统所的一件专利（一种制备相变存储器纳米加热电极的方法）也提到通过微纳米加工技术制备，实现了利用较大的纳米加热电极的基础上制备小孔洞的制备方法。但是各个研究中没有提到利用离子束注硅的方法，使TiN电极成为TiSiN，通过控制硅的注入计量控制TiSiN材料层的厚度，通过TiSiN高电阻的过渡层，使得相变材料有效操作区域靠近电极，有效操作区域减小，提高加热效率的同时，减低操作电流，尤其减小了多晶向非晶转化使得操作电流，实现1D1R高密度集成与减小器件功耗。

鉴于此，有必要设计一种有TiSiN材料的新的相变存储器单元结构以实现器件低功耗，高密度和高稳定性。

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含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储单元功耗高、热稳定性差、相变速度慢的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种含有TiSiN材料层的相变存储单元及其制备方法。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。