[发明专利]一种基于AAO模板的Sb单元素纳米颗粒相变储存器及其制备方法

说明书

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，公开了一种基于AAO模板的Sb单元素纳米颗粒相变储存器及其制备方法；通过引入AAO模板，对Sb单元素相变颗粒在三维尺度上进行限制，提高Sb单元素相变层的非晶稳定性。其制备方法包括：在底电极层上沉积一层金属铝，通过二次阳极氧化方法在未经光刻胶掩模的裸露部分形成多孔氧化铝，并得到纳米尺寸的孔阵列。向纳米孔阵列内填充单元素Sb材料，用化学机械抛光方法控制垂直方向上的尺度，制备顶电极后即可得到基于Sb单元素纳米颗粒的新型相变储存器件。基于AAO模板的Sb单元素纳米颗粒相变储存器彻底消除了常规化合物相变材料多次操作之后出现的成分偏析问题，从根本上解决相变存储器的失效难题。

技术领域

本发明属于微纳米电子技术领域，涉及一种信息存储器，特别是涉及一种利用AAO(Anodic Aluminum oxide，AAO)模板制备Sb单元素纳米颗粒相变储存器的方法。

背景技术

在当今电子技术以及信息产业飞速发展的时代，全球数据量的急剧增加及神经形态存算一体技术的发展对计算机主存的能耗及容量提出了更高的要求。目前，计算机主存芯片主要为动态随机存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)；DRAM是通过电容内是否充有电荷来存储信息的，为易失性存储器，即系统掉电其保存的数据就会丢失，并且电容上的电荷会随时间慢慢消失。因此为了保证数据的安全存储，系统不仅必须始终保持通电状态，而且需要对数据进行定期刷新，这使得系统能耗居高不下。另外，随着摩尔定律不断逼近物理极限，DRAM的容量也很难再进一步提高。

在目前已得到深入研究的几种新兴存储器技术中，相变存储器PCM(Phase ChangeMemory)被认为是最有可能取代DRAM的候选技术。一方面，相变存储器利用硫系化合物的晶态和非晶态来存储信息，是非易失性存储器，除读擦写操作外，信息的保存不需要供电维持，和DRAM相比具有天然的低功耗优势；另一方面，相变存储器的擦写速度可达到和DRAM相当的纳秒级甚至亚纳秒级；同时，随着3D-XPoint架构的推出，相变随机存储器的集成度及容量将有很大的提升空间。然而，在循环擦写次数方面，相变存储器和DRAM相比仍存在较大差距。目前，实验室利用常规溅射工艺制备的PCRAM器件的最高循环擦写次数为10⁹次，即使IBM联合日本真空采用ALD及限制型工艺将PCRAM器件的循环擦写次数提高至10¹²次，也离DRAM大于10¹⁵次的循环寿命有一定距离。

相变存储器以硫系化合物为存储介质，利用电脉冲产生的热量使材料在晶态(SET状态、低阻)与非晶态(RESET状态、高阻)之间相互转换实现信息的写入和擦除。在循环擦写过程中，硫系化合物原子在反复的熔融和冷却过程中移动扩散、组合成键或断开键合。由于不同元素原子在电场和热应力下的扩散能力、熔融状态下离子带电类型等物理性质不同，多次擦写后，不同元素的原子通过向不同电极方向迁移，在电极附近形成局部成分偏析。随着成分偏析的加剧，不同电极附近相变材料的结构及各元素的化学计量比发生变化，形成某种元素原子的累积或耗尽，导致器件的晶态/非晶态阻值漂移等电输运特性改变，甚至在相变层与电极层界面处形成空洞(void)，最终导致器件的失效。这就是相变存储器的原子迁移(atomic migration)失效机制。

为了解决这个矛盾，M.Salinga等人提出了单元素相变材料的概念。显然，单元素相变材料内部只有一种元素存在，不存在成分偏析的现象，因此有望从根本上解决相变存储器的失效问题。M.Salinga制备了纯Sb相变层厚度分别为3nm、5nm、10nm的相变存储单元，并在液氮冷却环境下实现了单元的擦写。然而，在室温时Sb层的非晶稳定性很不理想，5nm厚度纯Sb器件的高阻保持时间只有几秒钟即使在低温工作条件下，器件的循环擦写也只有几十次。研究发现，Sb层厚度越薄，非晶稳定性越好，即在厚度方向上的一维限制可以提高纯Sb相变层的非晶稳定性。但是在一个维度上的尺寸限制是不够的，有必要实现对Sb相变层的三维尺寸限制，以进一步提高单元素相变层的非晶稳定性。

发明内容