多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器。其中,所述多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元至少包括:形成于襯底上的層疊結(jié)構(gòu),該層疊結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體材料層和相變材料層交替層疊而成,總層數(shù)為2N層,N為大于等于5的整數(shù),其中,相變材料層的材料為電阻率能隨溫度變化的材料,優(yōu)選為銻碲合金。該多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元可應(yīng)用于電編程的電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器等領(lǐng)域,由于其電阻值具有隨溫度變化而出現(xiàn)多級(jí)電阻值的特性,從而可以應(yīng)用到多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器中,采用電信號(hào)或者激光改變器件的電阻,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多級(jí)存儲(chǔ)功能。
【專利說明】多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子學(xué)中制備工藝領(lǐng)域,特別是涉及一種多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前,存儲(chǔ)器的種類主要包括:靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)、磁盤、閃存(Flash)、鐵電存儲(chǔ)器等。而其它存儲(chǔ)器,例如相變存儲(chǔ)器(PCRAM)、電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)作為下一代存儲(chǔ)器的候選者也受到了廣泛的研究。在當(dāng)前眾多的可能替代現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)而成為商業(yè)化的新型存儲(chǔ)技術(shù)中,PCRAM被認(rèn)為是下一代非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一,具有存儲(chǔ)單元尺寸小、非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),特別是在器件特征尺寸的縮小方面優(yōu)勢(shì)尤為突出,業(yè)界認(rèn)為在不久的將來FLASH將遭遇尺寸縮小限制,而PCRAM在65nm節(jié)點(diǎn)后的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。英特爾、三星、意法半導(dǎo)體、飛利浦、國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司和艾必達(dá)等國(guó)際知名半導(dǎo)體公司花費(fèi)了大量的人力物力來對(duì)此技術(shù)進(jìn)行開發(fā),目前三星已經(jīng)研制出容量達(dá)到8Gb的相變內(nèi)存顆粒。
[0003]PCRAM研究的重要方向之一是如何提高存儲(chǔ)容量。雖然可以通過利用超精細(xì)加工手段減小存儲(chǔ)單元本身的尺寸來提高器件的存儲(chǔ)密度而提高存儲(chǔ)容量,但是過高的存儲(chǔ)密度會(huì)帶來不可避免的串?dāng)_問題(包括熱、電、磁串?dāng)_)和由高密度帶來的各種寄生效應(yīng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的在于提供一種多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多級(jí)存儲(chǔ)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的,本發(fā)明提供一種多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其至少包括:
[0006]形成于襯底上的層疊結(jié)構(gòu),該層疊結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體材料層和相變材料層交替層疊而成,總層數(shù)為2N層,N為大于等于5的整數(shù),其中,相變材料層的材料為電阻率能隨溫度變化的材料。
[0007]優(yōu)選地,所述相變材料層的材料為銻碲合金,其中,銻、碲兩種元素的原子百分比為66.7?80: 20?33.3 ;更為優(yōu)選地,所述銻碲合金中銻元素的原子百分含量為66.7%,其余為碲元素。
[0008]優(yōu)選地,所述相變材料層的厚度范圍為f IOnm ;更為優(yōu)選地,所述相變材料層的厚度為5nm。
[0009]優(yōu)選地,所述半導(dǎo)體材料層的材料包括鍺或硅,其厚度范圍為0.f 10nm。
[0010]優(yōu)選地,所述半導(dǎo)體材料層的材料為鍺,其厚度為0.5nm、lnm或1.67nm等。
[0011]優(yōu)選地,所述半導(dǎo)體材料層的材料為娃,其厚度為0.73nm、l.35nm、2.73nm等。
[0012]優(yōu)選地,所述總層數(shù)不超過50層。
[0013]本發(fā)明提供一種可電編程的電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器,其包括多個(gè)前述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元。
[0014]如上所述,本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)器,具有以下有益效果:能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多級(jí)存儲(chǔ)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1A顯示為本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元示意圖;
[0016]圖1B顯示為本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的透射電鏡圖(TEM);
[0017]圖2A顯示為本發(fā)明的一種優(yōu)選多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻隨溫度的變化曲線示意圖;
[0018]圖2B顯示為本發(fā)明的另一種優(yōu)選多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻隨溫度的變化曲線示意圖;
[0019]圖2C顯示為本發(fā)明的又一種優(yōu)選多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻隨溫度的變化曲線示意圖;
[0020]圖3顯示為本發(fā)明的再一種優(yōu)選多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻隨溫度的變化曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式,熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0022]請(qǐng)參閱圖1A至圖3。須知,本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等,均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容,以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀,并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件,故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義,任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整,在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下,均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí),本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語,亦僅為便于敘述的明了,而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍,其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整,在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下,當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
[0023]實(shí)施例1
[0024]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由鍺材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=50層,其中,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm,鍺材料層的厚度為0.5nm。
[0025]請(qǐng)參閱圖2A,圖2A為鍺材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖2A中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用鍺材料,厚度為0.5nm ;相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料層和相變材料層的總層數(shù)為50層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為162°C,第二結(jié)晶溫度約為190.2°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0026]實(shí)施例2
[0027]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由鍺材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=40層,其中,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm,鍺材料層的厚度為lnm。
[0028]請(qǐng)參閱圖2B,圖2B為鍺材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖2B中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層鍺的厚度為lnm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為40層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為162°C,第二結(jié)晶溫度約為219.5°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0029]實(shí)施例3
[0030]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由鍺材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=40層,其中,鍺材料層的厚度為1.67nm,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm。
[0031]請(qǐng)參閱圖2C,圖2C為鍺材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖2C中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用鍺材料,厚度為1.67nm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為40層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為162°C,第二結(jié)晶溫度約為239.7°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0032]實(shí)施例4
[0033]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由硅材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=40層,其中,硅材料層的厚度為0.52nm,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm。
[0034]請(qǐng)參閱圖3,圖3為硅材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖3中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用硅材料,厚度為0.52nm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為40層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為158°C,第二結(jié)晶溫度約為170.6°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0035]實(shí)施例5
[0036]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由硅材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=40層,其中,硅材料層的厚度為0.73nm,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm。
[0037]請(qǐng)參閱圖3,圖3為硅材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖3中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用硅材料,厚度為0.73nm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為40層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為158°C,第二結(jié)晶溫度約為170.6°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0038]實(shí)施例6
[0039]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由硅材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=40層,其中,硅材料層的厚度為1.35nm,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm。
[0040]請(qǐng)參閱圖3,圖3為硅材料層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖3中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用硅材料,厚度為1.35nm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為40層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為158°C,第二結(jié)晶溫度約為170.6°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0041]實(shí)施例7
[0042]本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元包括:形成于SiO2襯底上的層疊結(jié)構(gòu),如圖1A及IB所示,該層疊結(jié)構(gòu)由硅材料層和銻碲合金層交替層疊而成,總層數(shù)為2N=30層,其中,硅材料層的厚度為2.73nm,銻碲合金層中銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比,厚度為5nm。
[0043]請(qǐng)參閱圖3,圖3為硅層、銻碲合金層交替結(jié)構(gòu)的電阻隨溫度變化曲線(R-T),該曲線均是升溫過程。從圖3中可見,當(dāng)半導(dǎo)體材料層采用硅材料,厚度為2.73nm,相變材料層采用銻碲合金(銻含量約為66.7%原子百分比,碲含量約為33.3%原子百分比),厚度為5nm,半導(dǎo)體材料和相變材料的總層數(shù)為30層時(shí),在升溫過程中出現(xiàn)了兩次電阻驟降的過程,第一結(jié)晶溫度約為158°C,第二結(jié)晶溫度約為175.8°C,材料的高、中電阻值差異超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻值差異約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0044]基于多個(gè)上述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元可形成可電編程的電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器。
[0045]綜上所述,本發(fā)明的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的有益效果包括:
[0046]( I)基于銻碲合金材料的電阻率具有隨溫度變化的特性,采用電信號(hào)或者激光改變多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能;
[0047](2)當(dāng)溫度達(dá)到或者超過某兩個(gè)特定溫度時(shí),多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的電阻率有兩次劇烈的下降過程,通常高、中電阻率的差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí),中、低電阻率的差異也超過一個(gè)數(shù)量級(jí);
[0048](3)可以通過改變半導(dǎo)體材料層的厚度來改變第二次結(jié)晶溫度,而不同的結(jié)晶溫度會(huì)影響多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的操作電壓,由此,可以通過對(duì)半導(dǎo)體層厚度的改變來調(diào)節(jié)多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的操作電壓;
[0049](4)多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元在電阻隨溫度和電壓變化時(shí),其高低阻態(tài)之間有一個(gè)中間態(tài),從而為作為多級(jí)存儲(chǔ)器提供了可能;
[0050](5)多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元的制備與目前的半導(dǎo)體生產(chǎn)線完全兼容,不會(huì)給生產(chǎn)線引入污染以及不確定的因素,有助于降低生產(chǎn)成本。[0051]所以,本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0052]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效,而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下,對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此,舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于,所述多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元至少包括: 形成于襯底上的層疊結(jié)構(gòu),該層疊結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體材料層和相變材料層交替層疊而成,總層數(shù)為2N層,N為大于等于5的整數(shù),其中,相變材料層的材料為電阻率能隨溫度變化的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述相變材料層的材料為銻碲合金,其中,銻、碲兩種元素的原子百分比為66.710: 20-33.3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述銻碲合金中銻元素的原子百分含量為66.7%,其余為締元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述相變材料層的厚度范圍為I~10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述相變材料層的厚度為5nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料包括鍺或硅,其厚度范圍為0.f 10nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為鍺,其厚度為0.5nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為鍺,其厚度為lnm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所·述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為鍺,其厚度為1.67nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為硅,其厚度為0.52nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為硅,其厚度為0.73nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為硅,其厚度為1.35nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述半導(dǎo)體材料層的材料為硅,其厚度為2.73nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元,其特征在于:所述總層數(shù)不超過50層。
15.一種可電編程的電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器,其特征在于包括多個(gè)權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述的多級(jí)電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)單元。
【文檔編號(hào)】G11C11/56GK103855301SQ201210517155
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月5日
【發(fā)明者】顧怡峰, 宋志棠, 席韡, 宋三年, 劉波, 封松林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所