一种降低相变存储器单元操作功耗的方法技术

本发明专利技术涉及一种降低相变存储器单元操作功耗的方法，包括如下步骤：(1)在SiO2/Si基片上涂覆CeO2薄膜；(2)将步骤(1)中制备的涂覆有CeO2薄膜的SiO2/Si基片退火处理，制得具有缓冲层的SiO2/Si基片；(3)在步骤(2)中制备的具有缓冲层的SiO2/Si基片上，涂覆GST相变材料，并封装成相变存储器器件。本发明专利技术利用稀土金属氧化物CeO2薄膜材料作为缓冲层，能有效降低相变存储器单元操作电压，从而降低功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种采用稀土金属氧化物CeO2薄 膜作为缓冲层以降低相变存储器单元操作功耗的方法，该方法完全满足硅集成工艺的技术 要求。
技术介绍
相变存储器(PCM)主要是利用某些材料在特定的电流脉冲之下会具有快速且可 逆的相变化效应，进而导致材料在某些特性上的稳定改变來达到存储效果，此外其最终的 状态并不会随着外加能量的消失而改变，因此具有非挥发性的特点。PCM技术凭借其在读取 速度、可靠度、非破坏性读取、非挥发性、尺寸微小化以及成本方面的优势，已被公认为最有 潜力取代传统的DRAM技术及Flash闪存技术成为主流的存储器技术之一。目前采用的最 为成熟的相变材料为Ge2Sb2I^5(GST)合金，最为常见的相变存储器单元(PCM cell)结构为 以W为加热电极的T型结构。但在传统的T型结构中，W电极直接与相变材料接触，而W具 有很高的热导率(174W/m· K)，如此高的热导率一方面导致热量大量向四周扩散，热能利用 率不高，S. M. Mdeghipour等人的计算发现真正用于相变的能量仅占总能量的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)；另一方面电极与相变材料之间的界面处无法很好的聚集热量，导致相变材 料中温度最高的区域不是集中在界面处，而是处于电极的上端，这种加热方式将会导致“晶 化走廊”的出现，为消除“晶化走廊”对整个器件RESET态电阻的影响，势必要消耗额外的功耗 ο随着信息技术产业对相变存储器产品需求的日益增加，实现PCM cell与现有 CMOS工艺集成是非常关键的，因此，也就急需进一步降低PCM cell的操作功耗。目前，降 低PCM cell的操作电流/电压的主要方法有(1)改良器件结构，减小相变材料与电极之 间的接触面积；( 优化相变薄膜层与电极的尺寸；C3)相变材料开发与掺杂改性，如降低 相变材料熔点或增加电阻提高自加热能力从而降低操作电流；(4)植入其它材料的加热介 质辅助提高器件加热效率，降低功耗。其中，在底W电极与相变材料之间植入薄薄的一层加 热层以升高相变材料层中的温度的方法具有制程简便，可操作性强并且不需要改变传统的 T型结构的特点。而目前对于加热层材料的研究大量集中在一些金属氧化物或氮氧化物上， 如文献 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 ；文献 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 ；文献 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 ；文献 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 公开的 Al2O3 ；文献 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 公开的 TiON 等， 这些材料具有低的热导率(l-2W/m · K量级)和较高的电阻率(0. 01-1 Ω · cm量级)，可以 有效地减少热扩散现象并提高产热效率，但这些加热层材料需要很好的控制厚度以防止被 击穿而导致界面效应失效。因此进一步寻找新的加热层材料体系以降低PCM cell的操作 功耗是十分必须的。通过选择合适的加热层材料来优化PCM cell操作功耗是目前相变存储器研究的 一个重要方面，目前已有大量关于采用金属氧化物及氮氧化物材料的研究报道。然而，采用 稀土金属氧化物材料，如( 的研究尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用稀土金属氧化物( 作为 缓冲层降低相变存储器单元操作功耗的方法，使其能够在相变存储器器件中得到实际应用。本专利技术的专利技术人经过大量的实验研究，发现选用稀土金属氧化物材料CeO2作为缓 冲层材料，制得相变存储器器件比未采用缓冲层材料的器件操作电压明显降低，有效地降 低了整个器件的操作功耗，适用于相变存储器器件中开发。本专利技术是通过如下技术方案实现的，包括如下步骤(1)在Si02/Si基片上涂覆( 薄膜；(2)将步骤(1)中制备的涂覆有( 薄膜的Si02/Si基片退火处理，制得具有缓 冲层的Si02/Si基片；(3)在步骤O)中制备的具有缓冲层的Si02/Si基片上，涂覆GST相变材料，并封 装成相变存储器器件。步骤(1)中所述( 薄膜厚度为5 lOnm，优选为10nm。所述Si02/Si基片为经过光刻工艺处理过的Si02/Si基片，涂覆CeO2薄膜的方法 为磁控溅射法，涂覆时溅射功率设为15 30W，优选为20W。采用所述磁控溅射法涂覆( 薄膜时通入氧气和氩气，且氧气分压与氩气分压比 为0. 1 1 1 3，优选为1 3。所述Si02/Si基片涂覆( 薄膜后在氧气气氛中进行退火处理，退火时间为5 15min，优选为lOmin，退火温度为350 500°C，优选为400°C。步骤(3)中涂覆的GST相变材料厚度为100 200nm，优选为150nm。本专利技术利用稀土金属氧化物材料CeO2作为缓冲层，制备的相变存储器器件具有较 低的操作电压，在电压脉冲为3. 8V, IOns时仍然具有良好的相变效应，得到一种具有新型 缓冲层结构的复合材料体系。附图说明图1为含有( 缓冲层的相变存储器器件、以及不含缓冲层的相变存储器器件的4Reset操作的存储单元电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种降低相变存储器单元操作功耗的方法，其特征在于，包括如下步骤：（１）在ＳｉＯ２／Ｓｉ基片上涂覆ＣｅＯ２薄膜；（２）将步骤（１）中制备的涂覆ＣｅＯ２薄膜的ＳｉＯ２／Ｓｉ基片退火处理，制得具有缓冲层的ＳｉＯ２／Ｓｉ基片；（３）在步骤（２）中制备的具有缓冲层的ＳｉＯ２／Ｓｉ基片上，涂覆ＧＳＴ相变材料，并封装成相变存储器器件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，尚飞，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31