[发明专利]一种新型的相变存储器结构及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及纳米半导体存储器件领域，是一种新型的相变存储器结构及制备工艺。可用于对相变存储器的实验研究，有利于提高相变存储器的性能。同时，此种相变存储器也可以作为未来相变存储器大规模生产的结构的原型。 

背景技术

近年来，随着信息存储技术的不断发展，人们对信息存储器件的存取速度和容量以及保存时间的要求越来越高。随着存储器件的尺寸规模的不断缩小，目前传统的利用贮存电荷存储信息的存储器件越来越受到挑战，当传统的动态存储器(DRAM)，静态存储器(SRAM)以及闪存(Flash memory)的存储单元不断缩小并达到量子隧穿效应的尺度时，由于贮存电荷的单元中的电子的量子隧穿效应，这些电荷将无法保存，使得这些传统的存储器件将失效。为了克服不远的将来就会面临的这一问题，越来越多的研究机构正在致力于研究能取代这些传统存储器件的非易失性统一存储器技术，相变存储器作为一种非常有前途的替代者而得到广泛的研究和越来越多的关注。不同于传统的存储器的存储方式，相变存储器是利用在相变光盘中广泛应用的相变材料结构特性来实现信息的记录和存储。具体来讲，在相变存储器中利用长的(一般在几十个纳秒)中等强度的电脉冲信号将相变材料加热并晶化，实现信息的写入，利用短的(一般在几个纳秒或十几个纳秒)强的电脉冲信号将相变材料熔化并快冷而非晶化，实现信息擦除。然后利用弱的脉冲可以重复的实现信息的读出而不影响存储的信息。由于这种信息的存储是利用材料中原子排布的有序和无序的变化来存储记录信息，因此它不受到量子隧穿效应的影响，由于同样的原因，在断电的情况下，相变存储器存储的信息也不会丢失，即具有非易失性。并且由于存储信息的材料结构的稳定性，存储的信息能够保存几十年甚至几百年。更令人关注的是，相变材料结构在晶态和非晶态之间可逆变化的过程至少能实现10万次以上的循环，是传统闪存存储次数的几百倍以上。正是基于相变存储器在非易失性，数据保存时间，可缩放性，循环次数高以及功耗低等诸多方面的优异性能，使得相变存储器的研究开发越来越受到广泛关注。 

相变存储器的典型结构是上下电极，加热头和相变层(S.Lai and T.Lowrey，Tech.Dig.-Int.Electron Devices Meet.2001，36.5.1)。本发明基于对相变材料的相变动力学过程的研究提出了一种新型的相变存储器结构，与传统相变存储器结构相比，能有效地缩短相变存储器的写入时间和写入功率。而且并未增加制备工艺的复杂性。 

发明内容

本发明基于相变材料相变动力学过程研究的结果，提出了一种新型的相变存储器的结构和制备工艺，与传统相变存储器结构相比，此新型结构能有效地缩短相变存储器的写入时间和写入功率，有利于相变存储器的信息的擦除。 

本发明的解决方案如下： 

一种新型的相变存储器结构及其制备工艺，其特点是：利用下电极(1)和上电极(7)将脉冲电流或电压施加到加热头(3)，隔热层(2)能很好的隔绝电信号和热量。加热头(3)对相变材料层(4)进行加热使其发生晶态和非晶态的循环可逆变换，实现信息的写入和擦除。用弱电压或电流脉冲可实现记录信息的重复读出。增加了导热层(5)和粘附层(6)，粘附层(6)可以将上电极(7)很好的和导热层(5)相连接，加入的导热层(5)有利于信息的擦除，并有利于缩短写入时间，提高相变存储器的性能。 

新型相变存储器结构，特点是：下电极(1)为厚度为0.5mm的TiN或钨。隔热层(2)为厚度为10-100nm的SiN或ZnS-SiO₂。加热头(3)为直径为10-100nm的TiN。相变层(4)为厚度为5-50nm的GeSbTe，AgInSbTe，GeTe，GeSb，SiSb，SiSbTe薄膜。导热层(5)为厚度为5-500nm的Ag或Al或Cu或Pt或Au薄膜。粘附层(6)为厚度为5nm的Ti金属薄膜。上电极(7)为厚度为200nm的TiN或钨。 

新型相变存储器结构制备工艺，特点是：使用磁控溅射设备，在0.5mm的下电极(1)上溅射隔热层(2)、旋涂上光刻胶，曝光并显影，通过干法或湿法刻蚀出深度10-100nm直径10-100nm小孔，沉积TiN薄膜，形成加热头(3)，升离处理后，沉积相变材料层(4)，导热层(5)和粘附层(6)，最后沉积200nm的上电极(7)。如附图所示。 

本发明的技术效果： 

与传统相变存储器结构相比，能有效地缩短相变存储器的写入时间和写入功率。而且并未增加制备工艺的复杂性。 

附图说明