[发明专利]一种相变存储单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型相变存储单元及其制备方法，特点是半导体衬底上设置有呈水平分布的多层电极，多层电极的中间从下到上依次嵌设有相变存储薄膜及介质层，多层电极由至少两种不同的导电材料层按顺序上下交替排列形成至少10层界面结构，导电材料为TiN、Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或AlN，相变存储薄膜为存储材料Ge‑Sb‑Te体系，介质层采用的材料为Si₃N₄­或SiO₂­，半导体衬底采用的材料为Si、SiC或SOI，多层电极的总厚度为150～500 nm，单层导电材料层的厚度为2‑15nm，优点是有效地降低热量流失，充分提高加热效率，进而降低操作电流，实现低功耗。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其是涉及一种相变存储单元及其制备方法。

背景技术

相变存储器是国际上公认的将取代闪存Flash成为主流的非挥发存储器，这缘于相变存储器优异的特性，例如高数据保持力、低功耗、高密度、高速度、循环寿命长及与当今的CMOS工艺兼容等。此外，采用不同的相变存储介质能调节相变存储器的存储性能，以适应不同严厉的工作环境。因此，相变存储器在下一代存储器中将占有重要一席，具有广阔的市场前景。

相变存储器的原理是利用存储介质在电脉冲的作用下产生的焦耳热使存储介质在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转化实现信息的写入和擦除，信息的读出是通过测量存储器电阻值来实现的。当前相变存储器存在的主要问题是写电流过大，功耗较高。随着器件尺寸的缩小，晶体管的驱动能力也随之变小，难以驱动相变储器的操作。高的擦写电流限制了相变存储器在市场上的应用。当前研究的热点聚焦在相变存储介质和器件结构方面，以降低相变存储器的功耗。相变存储介质是相变存储器的核心，研究表明，低熔点和低热导率的相变介质能够显著降低写操作电流。可以开发新型的低熔点、低热导率的相变存储材料。此外，也可以将相变材料与介质材料在纳米尺度内复合形成纳米复合材料。介质材料可以充当微加热中心并有效利用热量使相变材料发生相变，并且减少了有效编程体积，有助于减小擦写操作电流。采用纳米复合材料是降低功耗的有效方法。在结构构造方面，采用人工构造类超晶格的多层相变薄膜可以有效减小热导率，提高加热效率，从而降低功耗。此外，优化器件结构，减小相变材料与电极的接触面积也可降低操作电流。然而，研发新型材料带来的器件可靠性有待考验，优化的器件结构需要多次曝光刻蚀工艺才能完成，增加了器件制备的复杂度。而将写电流进一步减小是相变存储器发展必须面对的问题。因而，如何采用简单有效的方法，提供一种写操作电流小及功耗低的相变存储器是当前技术领域需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作电流小，功耗低的相变存储单元及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种相变存储单元，包括半导体衬底，所述的半导体衬底上设置有呈水平分布的多层电极，所述的多层电极的中间从下到上依次嵌设有相变存储薄膜及介质层。

所述的多层电极由至少两种不同的导电材料层按顺序上下交替排列形成至少10层界面结构，所述的导电材料为TiN、Ti、Al、W、Ag、Au、Cu、TiW、HfN、WN、TaN或AlN，所述的相变存储薄膜为存储材料Ge-Sb-Te体系，所述的介质层采用的材料为Si₃N₄或SiO₂，所述的半导体衬底采用的材料为Si、SiC或SOI。

所述的多层电极的总厚度为150～500 nm，单层所述的导电材料层的厚度为2-15nm。可以形成至少10层界面，利用界面效应增加声子散射，降低电极的热导率，以减少相变层的焦耳热向电极方向的流失。