[发明专利]一种三维超晶格相变存储阵列及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种三维超晶格相变存储阵列及其制备方法与应用，涉及集成电路技术领域；该三维超晶格相变存储阵列包括下电极单元、超晶格结构和上电极；所述下电极单元沉积于衬底之上，由下电极层和绝缘层交替堆叠形成；该下电极单元内部具有一个沿垂直于堆叠方向上开设的深孔，且所述深孔的底面延伸至衬底；所述超晶格结构形成于所述深孔的侧壁上，由第一相变层和第二相变层在深孔侧壁上交替沉积而成；所述上电极填充在超晶格结构形成的腔体中，且该上电极与超晶格结构的最内层的相变层表面接触；本发明极大地提高了超晶格相变存储器的存储密度，降低生产成本，有利于在工业生产的层面上推动超晶格相变存储材料在相变存储器中的应用。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种三维超晶格相变存储阵列及其制备方法与应用。

背景技术

相变存储材料由于其可以通过施加电或者光脉冲快速的在低阻态和高阻态之间实现可逆的变换而备受人们关注，由高阻态转变为低阻态的过程称为SET过程，其逆过程称为RESET过程。基于相变材料的存储技术被人们认为是下一代存储技术的有力竞争者之一。

目前所使用的相变存储材料主要以GeTe、Sb₂Te₃及两者以一定的比例组成的化合物合金材料Ge_xSb_2yTe_x+3y(x及y均为整数)为主。但一系列的研究表明，以超晶格相变材料作为功能材料的界面相变存储器(iPCM)在SET速度、RESET功耗以及循环擦写稳定性等方面均远超过使用传统功能材料的相变存储器(Simpson R E,Fons P,Kolobov A V,etal.Interfacial phase-change memory[J].Nature nanotechnology,2011,6(8):501.)。超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到十几个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上是特定形式的层状精细复合材料。

虽然以超晶格相变存储材料作为功能层的相变存储器件具有诸多的优异性能，但是超晶格两种薄膜交替生长的结构便已经决定了其制备工艺的复杂性及其制造的高成本性。为了降低超晶格相变存储器件的制造成本，可以从提升存储密度的角度出发来发展新型的三维超晶格相变存储阵列结构。当降低的制造成本足以对冲由超晶格结构中的两种相变薄膜交替生长带来的工艺附加成本时，超晶格相变存储器件便获得了足够的发展推动力。而且其对比常规的三维相变存储器3D-Xpoint，本发明所述三维超晶格相变存储器同样具有较大的优势，理由有二：(1)常规3D-Xpoint的相变功能层采用的是传统的Ge-Sb-Te(GST)三元合金相变存储材料，超晶格相变存储材料与GST相比具有更好的的性能指标，包括更快的SET速度、更低RESET功耗以及更好的循环擦写稳定性等；(2)限制将常规3D-Xpoint中的GST相变材料替换为超晶格相变材料的主要制约因素为超晶格需要的交替生长过程所带来的高成本，且常规3D-Xpoint所采用的堆叠方式，堆叠层数极其有限，堆叠成本高，本发明所述三维超晶格相变存储阵列的新型堆叠方法所带来的成本降低足以对冲超晶格交替生长所带来的附加成本。

因此，发展新型的三维超晶格相变存储单元，以降低超晶格相变存储器平均到每个单元的生产成本，将对推动其产业化的进程产生重要影响。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维超晶格相变存储阵列及其制备方法与应用，该方法能够快速地在三维方向上堆叠超晶格薄膜器件，极大地提高超晶格相变存储阵列的存储密度，从而降低超晶格相变存储器件的制造成本。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维超晶格相变存储阵列，包括下电极单元、超晶格结构和上电极；

所述下电极单元沉积于衬底之上，由下电极层和绝缘层交替堆叠形成；该下电极单元内部具有一个沿垂直于堆叠方向上开设的深孔，且所述深孔的底面延伸至衬底；