CN110571329B - 一种高可靠性相变材料和相变存储器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性相变材料，其为第一相变材料层和第二相变材料层循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层，所述第一相变材料层和所述第二相变材料层之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层为Sb2Te3作为诱导层，所述第二相变材料层为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层。非晶态Sb2Te3层的晶化所需能量较低，且易于形成稳定的晶格取向，因此所选的Sb2Te3层可以作为诱导层，使非晶态的Ge15Te85层在相变过程中具有更高的相变速度，可促进整个相变材料进行快速晶化；而且所选的Ge15Te85层的能带结构中，缺陷态主要位于带尾的局域态，而非带隙中费米能级附近的缺陷能级，不会因为缺陷能级的驰豫而发生电阻漂移，因此在相变过程中具有更高的相变速度。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，具体涉及一种高可靠性相变材料及其制备方法，采用该高可靠性相变材料的相变存储器及其制备方法。
背景技术
作为一种新型存储器，相变存储器由于恰当的存储密度，擦写速度和功耗，完美的填补了现行存储构架中的出现的器件断层。并且，由于相变存储器的制备工艺与现行的CMOS高度兼容，是下一代存储器构架的最佳方案之一，在高密度，高速度，低功耗，嵌入式应用和特殊环境应用中具有巨大的商业潜力。
相变存储器采用相变材料作为存储介质，用电脉冲产生的焦耳热是相变材料的电阻状态发生变化，通常非晶态时为高电阻率，晶态为低电阻率，结合器件的尺寸可以取得不同的电阻值。由于相变材料可以实现部分非晶化，因此相变存储器在多值存储的应用上具有巨大优势。但相变材料在非晶态下具有本征的电阻漂移，在进行多值存储时不同阻态会发生重叠，引起大概率的误读。
降低相变存储器电阻漂移的常用方法有以下几种：
一是低温退火或其他加速老化的方法加速相变材料的自发驰豫，使材料尽快进入相对稳定的状态，降低使用中发生的电阻漂移。
二是改变单元的读写方式，如由电阻权重换算为电压或电流等物理量表征存储的信息。
三是改进器件结构，如增加金属化的覆盖层抑制电阻漂移。
但是，由于相变材料的电阻漂移是由材料的本征特性决定的，在超过10nm的空间尺度上与材料和器件的尺寸无关，因此器件结构的优化不能从本质上降低相变存储器的电阻漂移。而读写方式的改进一方面增大了***电路设计的成本，另一方面会降低读写的速度。
因此，一种兼顾性能的低漂移的新型相变材料是当前领域需要解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，特别是如何降低电阻漂移、提高可靠性的同时兼顾相变速度等性能，本发明提供了一种高可靠性相变材料和相变存储器，采用相变材料层Sb2Te3和相变材料层Ge15Te85循环交替叠合形成高可靠性的类超晶格相变材料层，其中，非晶态Sb2Te3层的晶化所需能量较低，且易于形成稳定的晶格取向，因此所选的Sb2Te3层可以作为诱导层，使非晶态的Ge15Te85层在相变过程中具有更高的相变速度，可促进整个相变材料进行快速晶化；而且所选的Ge15Te85层的能带结构中，缺陷态主要位于带尾的局域态，而非带隙中费米能级附近的缺陷能级，不会因为缺陷能级的驰豫而发生电阻漂移，因此在相变过程中具有更高的相变速度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高可靠性相变材料，其为第一相变材料层和第二相变材料层循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层，所述第一相变材料层和所述第二相变材料层之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层为Sb2Te3作为诱导层，所述第二相变材料层为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层，底层和顶层均选自所述第一相变材料层、所述第二相变材料层其中之一。
为实现上述目的，按照本发明的另一方面，还提供了一种如前所述的高可靠性相变材料的制备方法，其中：
所述制备方法为通过包括磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积在内的沉积方法循环交替沉积第一相变材料层和第二相变材料层，直到完成类超晶格相变材料层的制备。
为实现上述目的，按照本发明的另一方面，还提供了一种相变存储器，其中，包括依次设置的：
一衬底材料层；
一第一电极；
一绝缘介质材料层，所述绝缘介质材料层中形成有接触孔；
一类超晶格相变材料层，其为第一相变材料层和第二相变材料层循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层，所述第一相变材料层和所述第二相变材料层之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层为Sb2Te3作为诱导层，所述第二相变材料层为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层，底层和顶层均选自所述第一相变材料层、所述第二相变材料层其中之一；
一第二电极；
所述类超晶格相变材料层部分位于所述绝缘介质材料层的接触孔中，并与所述第一电极接触。
优选地，所述类超晶格相变材料层与所述第一电极的接触面积小于所述第二电极与所述类超晶格相变材料层的接触面积。
优选地，所述类超晶格相变材料层的底层若干层为具有凹槽的结构，其顶层及所述第二电极为平面层。
为实现上述目的，按照本发明的另一方面，还提供了一种如前所述的相变存储器的制备方法，其中，包括如下步骤：
S1：在衬底材料层上沉积第一电极；
S2：在第一电极上沉积绝缘介质材料层；
S3：制备接触孔；
在绝缘介质材料层的局部表面使用光刻形成预定尺寸的接触孔；
S4：制备类超晶格相变材料层；
使用刻蚀对准接触孔中的第一电极形成电极图形，然后在接触孔中及***以沉积的方法循环交替沉积第一相变材料层和第二相变材料层，直到完成类超晶格相变材料层的制备；
S5：制备第二电极；
完成类超晶格相变材料层的制备后，在其上直接沉积第二电极。
优选地，在步骤S1、S2、S4、S5中，沉积的方法采用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积中的任一。
优选地，在步骤S2中，绝缘介质材料层的厚度根据类超晶格相变材料层的厚度进行调整，在后制备的类超晶格相变材料层的设计厚度越厚，则在先沉积的绝缘介质材料层的厚度也越厚。
优选地，在步骤S3中，光刻方法采用紫外光刻或电子束光刻。
优选地，在步骤S4中，刻蚀方法采用反应离子刻蚀或耦合等离子刻蚀。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的高可靠性相变材料和相变存储器及制备方法，采用相变材料层Sb2Te3和相变材料层Ge15Te85循环交替叠合形成高可靠性的类超晶格相变材料层，其中，非晶态Sb2Te3层的晶化所需能量较低，且易于形成稳定的晶格取向，因此所选的Sb2Te3层可以作为诱导层，使非晶态的Ge15Te85层在相变过程中具有更高的相变速度，可促进整个相变材料进行快速晶化；而且所选的Ge15Te85层的能带结构中，缺陷态主要位于带尾的局域态，而非带隙中费米能级附近的缺陷能级，不会因为缺陷能级的驰豫而发生电阻漂移，因此在相变过程中具有更高的相变速度。
2、本发明的高可靠性相变材料和相变存储器及制备方法，由于第一相变材料层和第二相变材料层之间类超晶格界面的存在，具有远低于传统相变材料的电阻漂移，可以在不改变器件结构，不消耗额外电路的前提下，大大提高器件的可靠性，且能够满足尺寸微缩的器件发展需求。
附图说明
图1是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的结构剖面示意图；
图2是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的制备工艺流程图之一v
图3是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的制备工艺流程图之二；
图4是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的制备工艺流程图之三；
图5是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的制备工艺流程图之四；
图6是本发明实施例的采用高可靠性相变材料的相变存储器的制备工艺流程图之五。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种高可靠性相变材料，其为第一相变材料层104和第二相变材料层105循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层106，所述第一相变材料层104和所述第二相变材料层105之间形成类超晶格界面。
所述第一相变材料层104选用Sb2Te3作为诱导层，用来促进整个类超晶格相变材料层106进行快速晶化。
所述第二相变材料层105选用Ge15Te85，在相变过程中具有更高的相变速度。因为该材料的能带结构中，缺陷态主要位于带尾的局域态，而非带隙中费米能级附近的缺陷能级，因此不会因为缺陷能级的驰豫而发生电阻漂移。
本发明中，循环交替叠合层数至少有三层，底层(起始层)和顶层(结束层)并不如图1-6示出那样限定具体为哪个材料，均可选自所述第一相变材料层104、所述第二相变材料层105其中之一。
如图5所示，本发明还提供了一种如前所述的高可靠性相变材料的制备方法，其中：
所述制备方法为通过包括磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积在内的沉积方法循环交替沉积第一相变材料层104和第二相变材料层105，直到完成类超晶格相变材料层106的制备。
如图1所示，本发明还提供了一种相变存储器，其中，包括依次设置的：
一衬底材料层100，整个存储单元制备在硅或掺杂硅为主体，表面具有绝缘材料的衬底材料层100上；
一第一电极(底部电极)101，第一电极101延伸在整个衬底材料层100表面，与类超晶格相变材料层106的底部表面接触；
一绝缘介质材料层103，用来形成针对类超晶格相变材料层106的限制结构，所述绝缘介质材料层103中形成有接触孔110；
一类超晶格相变材料层106，其为第一相变材料层104和第二相变材料层105循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层106，所述第一相变材料层104和所述第二相变材料层105之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层104为Sb2Te3作为诱导层，所述第二相变材料层105为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层，底层和顶层均选自所述第一相变材料层104、所述第二相变材料层105其中之一；
一第二电极(顶部电极)102，第二电极102与类超晶格相变材料层106的上表面接触；
所述类超晶格相变材料层106部分位于所述绝缘介质材料层的接触孔110中，并与所述第一电极101接触。
如图1所示，绝缘介质材料层103通过刻蚀等方法形成相对较窄的宽度(在一些实施例中，可以是直径)，可形成一个与类超晶格相变材料层106接触的电极表面区域。所述类超晶格相变材料层106与所述第一电极101的接触面积小于所述第二电极102与所述类超晶格相变材料层106的接触面积。因此，电流会集中于类超晶格相变材料层106与第一电极101接触的部分。
如图1所示，所述类超晶格相变材料层106的底层若干层为具有凹槽的结构，其顶层及所述第二电极102为平面层。
如图2-6所示，本发明的相变存储器的制备方法，包括如下步骤：
S1：在衬底材料层100上沉积第一电极101。
如图2所示，沉积第一电极101使用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积，化学反应沉积等方法沉积均可。第一电极101包括但不限于具有较大功函数的惰性贵金属，如Pt、Au等，具有高发热系数的惰性金属，如钨(W)、钛钨合金(TiW)等，与现行微电子技术兼容的金属或合金，如氮化金属MN(M＝Ti，Ta…)、铜(Cu)、铝(Al)等。第一电极的厚度根据后续集成工艺调整，在本实施例中，第一电极的厚度优选为100nm。
S2：在第一电极101上沉积绝缘介质材料层103。
如图3所示，沉积绝缘介质材料层103使用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积，化学反应沉积等方法沉积均可。绝缘介质材料层103包括但不限适用于存储器元件的内层介电结构的材料，如硅氧化物(SiO)、硅氮化物(SiN)、硅氮氧化物(SiON)、硅碳化物(SiC)、氧化铝(AlO)、氧化铪(HfO)或其他适用于存储器元件的内层介电结构的材料等。绝缘介质材料层103的厚度根据类超晶格相变材料层106的厚度进行调整，在后制备的类超晶格相变材料层106的设计厚度越厚，则在先沉积的绝缘介质材料层103的厚度也越厚。在本实施例中，绝缘介质材料层103优选为100nm厚度的二氧化硅(SiO2)。
S3：制备接触孔110。
如图4所示，在绝缘介质材料层103的局部表面使用紫外光刻或电子束光刻形成预定尺寸的接触孔110。
S4：制备类超晶格相变材料层106。
如图5所示，使用反应离子刻蚀(RIE)或耦合等离子刻蚀(ICP)对准接触孔110中的第一电极101形成电极图形，然后在接触孔中及***以沉积的方法循环交替沉积第一相变材料层104和第二相变材料层105，直到完成类超晶格相变材料层106的制备；沉积的方法采用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积中的任一。
其中，类超晶格相变材料层106的底层若干层为具有凹槽的结构，其顶层例如第一相变材料层104变为平面层。
及所述第二电极102为平面层。
S5：制备第二电极102。
如图6所示，完成类超晶格相变材料层106的制备后，保留光刻图形，在类超晶格相变材料层106的顶层平面层上直接沉积第二电极102，形成平面的第二电极。沉积的方法采用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积中的任一。第二电极102包括但不限于具有较大功函数的惰性贵金属，如Pt、Au等，具有高发热系数的惰性金属，如钨(W)、钛钨合金(TiW)等，与现行微电子技术兼容的金属或合金，如氮化金属MN(M＝Ti，Ta…)、铜(Cu)、铝(Al)等。第二电极的厚度根据后续集成工艺调整，在本实施例中，第二电极的厚度优选为100nm。
综上所述，本发明具有以下优势：
1、本发明的高可靠性相变材料和相变存储器及制备方法，采用相变材料层Sb2Te3和相变材料层Ge15Te85循环交替叠合形成高可靠性的类超晶格相变材料层，其中，非晶态Sb2Te3层的晶化所需能量较低，且易于形成稳定的晶格取向，因此所选的Sb2Te3层可以作为诱导层，使非晶态的Ge15Te85层在相变过程中具有更高的相变速度，可促进整个相变材料进行快速晶化；而且所选的Ge15Te85层的能带结构中，缺陷态主要位于带尾的局域态，而非带隙中费米能级附近的缺陷能级，不会因为缺陷能级的驰豫而发生电阻漂移，因此在相变过程中具有更高的相变速度。
2、本发明的高可靠性相变材料和相变存储器及制备方法，由于第一相变材料层和第二相变材料层之间类超晶格界面的存在，具有远低于传统相变材料的电阻漂移，可以在不改变器件结构，不消耗额外电路的前提下，大大提高器件的可靠性，且能够满足尺寸微缩的器件发展需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高可靠性相变材料，其特征在于：其为第一相变材料层（104）和第二相变材料层（105）循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层（106），所述第一相变材料层（104）和所述第二相变材料层（105）之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层（104）为Sb2Te3，所述第二相变材料层（105）为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层，底层和顶层均选自所述第一相变材料层（104）、所述第二相变材料层（105）其中之一；其中，以非晶态Sb2Te3层作为诱导层，提高非晶态的Ge15Te85层在相变过程中的相变速度，促进整个相变材料进行快速晶化。
2.一种如权利要求1所述的高可靠性相变材料的制备方法，其特征在于：
所述制备方法为通过包括磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积在内的沉积方法循环交替沉积第一相变材料层（104）和第二相变材料层（105），直到完成类超晶格相变材料层（106）的制备。
3.一种相变存储器，其特征在于，包括依次设置的：
一衬底材料层（100）；
一第一电极（101）；
一绝缘介质材料层（103），所述绝缘介质材料层（103）中形成有接触孔（110）；
一类超晶格相变材料层（106），其为第一相变材料层（104）和第二相变材料层（105）循环交替叠合而成的类超晶格相变材料层（106），所述第一相变材料层（104）和所述第二相变材料层（105）之间形成类超晶格界面，所述第一相变材料层（104）为Sb2Te3，所述第二相变材料层（105）为Ge15Te85，循环交替叠合层数至少有三层，底层和顶层均选自所述第一相变材料层（104）、所述第二相变材料层（105）其中之一；其中，以非晶态Sb2Te3层作为诱导层，提高非晶态的Ge15Te85层在相变过程中的相变速度，促进整个相变材料进行快速晶化；
一第二电极（102）；
所述类超晶格相变材料层（106）部分位于所述绝缘介质材料层的接触孔（110）中，并与所述第一电极（101）接触。
4.如权利要求3所述的相变存储器，其特征在于：
所述类超晶格相变材料层（106）与所述第一电极（101）的接触面积小于所述第二电极（102）与所述类超晶格相变材料层（106）的接触面积。
5.如权利要求3所述的相变存储器，其特征在于：
所述类超晶格相变材料层（106）的底层若干层为具有凹槽的结构，其顶层及所述第二电极（102）为平面层。
6.一种如权利要求3-5任一项所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在衬底材料层（100）上沉积第一电极（101）；
S2：在第一电极（101）上沉积绝缘介质材料层（103）；
S3：制备接触孔（110）；
在绝缘介质材料层（103）的局部表面使用光刻形成预定尺寸的接触孔（110）；
S4：制备类超晶格相变材料层（106）；
使用刻蚀对准接触孔（110）中的第一电极（101）形成电极图形，然后在接触孔中及***以沉积的方法循环交替沉积第一相变材料层（104）和第二相变材料层（105），直到完成类超晶格相变材料层（106）的制备；
S5：制备第二电极（102）；
完成类超晶格相变材料层（106）的制备后，在其上直接沉积第二电极（102）。
7.如权利要求6所述的相变存储器的制备方法，其特征在于：
在步骤S1、S2、S4、S5中，沉积的方法采用磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、化学反应沉积中的任一。
8.如权利要求6所述的相变存储器的制备方法，其特征在于：
在步骤S2中，绝缘介质材料层（103）的厚度根据类超晶格相变材料层（106）的厚度进行调整，在后制备的类超晶格相变材料层（106）的设计厚度越厚，则在先沉积的绝缘介质材料层（103）的厚度也越厚。
9.如权利要求6所述的相变存储器的制备方法，其特征在于：
在步骤S3中，光刻方法采用紫外光刻或电子束光刻。
10.如权利要求6所述的相变存储器的制备方法，其特征在于：
在步骤S4中，刻蚀方法采用反应离子刻蚀或耦合等离子刻蚀。
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