專利名稱：一種降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子功能材料與器件領(lǐng)域，具體涉及一種采用稀土金屬氧化物CeO2薄 膜作為緩沖層以降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，該方法完全滿足硅集成工藝的技術(shù) 要求。
背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器(PCM)主要是利用某些材料在特定的電流脈沖之下會(huì)具有快速且可 逆的相變化效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料在某些特性上的穩(wěn)定改變來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)效果，此外其最終的 狀態(tài)并不會(huì)隨著外加能量的消失而改變，因此具有非揮發(fā)性的特點(diǎn)。PCM技術(shù)憑借其在讀取 速度、可靠度、非破壞性讀取、非揮發(fā)性、尺寸微小化以及成本方面的優(yōu)勢(shì)，已被公認(rèn)為最有 潛力取代傳統(tǒng)的DRAM技術(shù)及Flash閃存技術(shù)成為主流的存儲(chǔ)器技術(shù)之一。目前采用的最 為成熟的相變材料為Ge2Sb2I^5(GST)合金，最為常見的相變存儲(chǔ)器單元(PCM cell)結(jié)構(gòu)為 以W為加熱電極的T型結(jié)構(gòu)。但在傳統(tǒng)的T型結(jié)構(gòu)中，W電極直接與相變材料接觸，而W具 有很高的熱導(dǎo)率(174W/m· K)，如此高的熱導(dǎo)率一方面導(dǎo)致熱量大量向四周擴(kuò)散，熱能利用 率不高，S. M. Mdeghipour等人的計(jì)算發(fā)現(xiàn)真正用于相變的能量?jī)H占總能量的0. 2 1. 4% (S. M. Sadeghipour, L. Pileggi, and Μ. Asheghi, Phase Change Random Access Memory, Thermal Analysis, The TenthIntersociety Conference on ITHERM(IEEE), NewYork, 2006,660-665)；另一方面電極與相變材料之間的界面處無(wú)法很好的聚集熱量，導(dǎo)致相變材 料中溫度最高的區(qū)域不是集中在界面處，而是處于電極的上端，這種加熱方式將會(huì)導(dǎo)致“晶 化走廊”的出現(xiàn)，為消除“晶化走廊”對(duì)整個(gè)器件RESET態(tài)電阻的影響，勢(shì)必要消耗額外的功
耗 ο隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)相變存儲(chǔ)器產(chǎn)品需求的日益增加，實(shí)現(xiàn)PCM cell與現(xiàn)有 CMOS工藝集成是非常關(guān)鍵的，因此，也就急需進(jìn)一步降低PCM cell的操作功耗。目前，降 低PCM cell的操作電流/電壓的主要方法有(1)改良器件結(jié)構(gòu)，減小相變材料與電極之 間的接觸面積；( 優(yōu)化相變薄膜層與電極的尺寸；C3)相變材料開發(fā)與摻雜改性，如降低 相變材料熔點(diǎn)或增加電阻提高自加熱能力從而降低操作電流；(4)植入其它材料的加熱介 質(zhì)輔助提高器件加熱效率，降低功耗。其中，在底W電極與相變材料之間植入薄薄的一層加 熱層以升高相變材料層中的溫度的方法具有制程簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)并且不需要改變傳統(tǒng)的 T型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。而目前對(duì)于加熱層材料的研究大量集中在一些金屬氧化物或氮氧化物上， 如文獻(xiàn) M.H.Jang et al. StructuralStability and Phase-Change Characteristics of Ge2Sb2Te5/Si02 Nano-Multilayered Films，Electrochemical and Solid-State Letters， 2009，12 (4)，H151-H154 公幵的 SiO2 ；文獻(xiàn) C. Xu，Ζ. Song，B. Liu, S. Feng，and B. Chen， Lower current operation of phase change memory cell with a thinTi02 layer,Appl. Phys. Lett. 2008，92，062103 公幵的 TiO2 ；文獻(xiàn) Y. Matsui et al. Ta2O5 InterfacialLayer between GST and W Plug enabling Low Power Operation of Phase Change Memories， Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2006，769-772 公幵的 T%05 ；文獻(xiàn) P. K. Wong,J. E. Evetts, and Μ. G. Blamire,High conductance magnetoresistive tunnel junctions with multiply oxidized barrier, J. Appl. Phys. 1998，83，6697-6699 公開的 Al2O3 ；文獻(xiàn) D. H. Kang et al.Voltage Operation ofa PhaseChange Memory Device with a ighly Resistive TiON Layer, Jpn. J. Appl. Phys. 2004, Part 2 (43)，5243-5244 公開的 TiON 等， 這些材料具有低的熱導(dǎo)率(l-2W/m · K量級(jí))和較高的電阻率(0. 01-1 Ω · cm量級(jí))，可以 有效地減少熱擴(kuò)散現(xiàn)象并提高產(chǎn)熱效率，但這些加熱層材料需要很好的控制厚度以防止被 擊穿而導(dǎo)致界面效應(yīng)失效。因此進(jìn)一步尋找新的加熱層材料體系以降低PCM cell的操作 功耗是十分必須的。通過選擇合適的加熱層材料來(lái)優(yōu)化PCM cell操作功耗是目前相變存儲(chǔ)器研究的 一個(gè)重要方面，目前已有大量關(guān)于采用金屬氧化物及氮氧化物材料的研究報(bào)道。然而，采用 稀土金屬氧化物材料，如( 的研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用稀土金屬氧化物( 作為 緩沖層降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，使其能夠在相變存儲(chǔ)器器件中得到實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)選用稀土金屬氧化物材料CeO2作為緩 沖層材料，制得相變存儲(chǔ)器器件比未采用緩沖層材料的器件操作電壓明顯降低，有效地降 低了整個(gè)器件的操作功耗，適用于相變存儲(chǔ)器器件中開發(fā)。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，包括如下步驟(1)在Si02/Si基片上涂覆( 薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆有( 薄膜的Si02/Si基片退火處理，制得具有緩 沖層的Si02/Si基片；(3)在步驟O)中制備的具有緩沖層的Si02/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封 裝成相變存儲(chǔ)器器件。步驟(1)中所述( 薄膜厚度為5 lOnm，優(yōu)選為10nm。所述Si02/Si基片為經(jīng)過光刻工藝處理過的Si02/Si基片，涂覆CeO2薄膜的方法 為磁控濺射法，涂覆時(shí)濺射功率設(shè)為15 30W，優(yōu)選為20W。采用所述磁控濺射法涂覆( 薄膜時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比 為0. 1 1 1 3，優(yōu)選為1 3。所述Si02/Si基片涂覆( 薄膜后在氧氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為5 15min，優(yōu)選為lOmin，退火溫度為350 500°C，優(yōu)選為400°C。步驟(3)中涂覆的GST相變材料厚度為100 200nm，優(yōu)選為150nm。本發(fā)明利用稀土金屬氧化物材料CeO2作為緩沖層，制備的相變存儲(chǔ)器器件具有較 低的操作電壓，在電壓脈沖為3. 8V, IOns時(shí)仍然具有良好的相變效應(yīng)，得到一種具有新型 緩沖層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料體系。


圖1為含有( 緩沖層的相變存儲(chǔ)器器件、以及不含緩沖層的相變存儲(chǔ)器器件的
4Reset操作的存儲(chǔ)單元電阻隨操作電壓的變化曲線。圖2為含有( 緩沖層的相變存儲(chǔ)器器件、以及不含緩沖層的相變存儲(chǔ)器器件中 Set操作中電流隨電壓的變化曲線。圖3含有( 緩沖層的相變存儲(chǔ)器器件中Reset操作中不同脈寬的電壓脈沖下 存儲(chǔ)單元電阻隨操作電壓的變化曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1相變存儲(chǔ)器器件中采用( 作為緩沖層。a、采用磁控濺射法在經(jīng)過光刻工藝處理后的Si02/Si基片上制備厚度為IOnm的 CeO2薄膜，濺射功率為20W，濺射時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比為1 3。b、將制備好的( 薄膜在氧氣氣氛中退火處理lOmin，退火溫度為400°C，獲得最 終的緩沖層材料。C、在鍍有緩沖層材料的Si02/Si基片上，采用磁控濺射法制備了厚度為150nm的 GST相變材料，并封裝成相變存儲(chǔ)器器件。相變存儲(chǔ)器器件reset過程中的電阻-電壓及set過程中電流-電壓性能的測(cè)試 是采用Agilent-81104A脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出特定的電壓脈沖，并使用Keithley-MOO數(shù) 字源表記錄電阻或電流的數(shù)值，來(lái)分別獲得電阻隨電壓的變化曲線及電流隨電壓的變化曲 線。圖1及圖2中所采用的電壓脈沖的脈寬均為50ns。由于在相變存儲(chǔ)器中，reset過程 中所需要的電壓脈沖要比set過程的高，并且在reset過程中需要消除“晶化走廊”的影響， 因此在降低功耗方面我們主要關(guān)注reset操作中電壓的降低。圖2表示的是器件在reset 操作過程中的電阻隨電壓的變化曲線，很明顯的，未加入緩沖層的器件的reset電壓大約 在3. 5V，以CeO2作為緩沖層的器件的reset電壓有了明顯降低，約為2V。并且從圖2中set 過程的電流隨電壓變化曲線中，我們發(fā)現(xiàn)以( 作為緩沖層的器件的set操作的閾值電壓 也比不加入緩沖層的器件有較大降低。并且圖3顯示以( 作為緩沖層的器件即使在電 壓脈沖為IOns時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)reset操作。綜合上面的數(shù)據(jù)，我們判定利用CeO2作為緩 沖層，可以有效降低相變存儲(chǔ)器單元操作電壓，從而降低了整個(gè)器件的操作功耗。
權(quán)利要求
1.一種降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在Si02/Si基片上涂覆( 薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆CeO2薄膜的Si02/Si基片退火處理，制得具有緩沖層的 Si02/Si 基片；(3)在步驟O)中制備的具有緩沖層的Si02/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封裝成 相變存儲(chǔ)器器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，步驟(1) 中所述CeA薄膜的厚度為5 15nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，所述 Si02/Si基片為經(jīng)過光刻工藝處理過的Si02/Si基片，涂覆( 薄膜的方法為磁控濺射法， 涂覆時(shí)濺射功率設(shè)為15 30W。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，采用 所述磁控濺射法涂覆( 薄膜時(shí)通入氧氣和氬氣，且氧氣分壓與氬氣分壓比為0. 1 1 1 3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，所述 Si02/Si基片涂覆( 薄膜后在氧氣氣氛中進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為5 15min，退火溫 度為350 5000C ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，其特征在于，步驟(3) 中涂覆的GST相變材料厚度為100 200nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低相變存儲(chǔ)器單元操作功耗的方法，包括如下步驟(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜；(2)將步驟(1)中制備的涂覆有CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火處理，制得具有緩沖層的SiO2/Si基片；(3)在步驟(2)中制備的具有緩沖層的SiO2/Si基片上，涂覆GST相變材料，并封裝成相變存儲(chǔ)器器件。本發(fā)明利用稀土金屬氧化物CeO2薄膜材料作為緩沖層，能有效降低相變存儲(chǔ)器單元操作電壓，從而降低功耗。
文檔編號(hào)H01L45/00GK102117883SQ20101002244
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者尚飛, 翟繼衛(wèi) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)