一种相变存储器、其制作方法及电子设备与流程

本技术涉及存储，尤其涉及一种相变存储器、其制作方法及电子设备。

背景技术：

1、动态随机存储器(dynamic random access memory，dram)由晶体管和电容构成(1t1c，t表示晶体管，c表示电容)，是一种易失性存储器，具有操作速度较快(ns级别)、能够无限擦除等优势。然而，dram存储器需要不断通电刷新维持存储信息，数据保持力指标(retention)在ms级别，造成dram存储器的功耗较高，并且，dram存储器的制造工艺较为复杂，尤其面向先进节点下的可微缩性较差，不利于提升存储密度。因此，为了解决这些问题，需要找到一种非易失性存储器，来替代dram存储器。

2、相变存储器(phase change memory，pcm)是一种新型非易失性存储器，具有结构简单、操作简便、无需通电可长久保存数据、能耗较低、操作速度较快、可堆叠实现高存储密度等优点，替代dram存储器的可行性较高。然而，由于相变存储器中相变材料的制备工艺可控性较差，从而导致相变存储器的电学性能和重复性较差，且可靠性较低。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种相变存储器、其制作方法及电子设备，用以解决相变存储器的电学性能和重复性较差，且可靠性较低的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种相变存储器，本技术实施例提供的相变存储器可以包括：多个存储结构。存储结构可以包括：层叠设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极与第二电极之间的相变层。相变层可以包括：至少一层相变薄膜和至少一层连接薄膜，相变薄膜和连接薄膜交替层叠设置，相变薄膜包括相变材料。

3、本技术实施例提供的相变存储器中，相变层包括至少一层相变薄膜和至少一层连接薄膜，且相变薄膜和连接薄膜交替层叠设置，可以使相变材料均匀分布于相变层中，从而提升相变存储器的电学性能和可靠性，使相变存储器具有操作速度快、低延迟、低功耗、高可靠性等特点。并且，在制作工艺过程中，可以依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，经退火处理反应后可以形成相变层，制作工艺的可控性较高，提高了相变存储器的电学特性以及产品重复性和可靠性，使相变存储器能够达到替代dram存储器的需求。在本技术的一些实施例中，相变存储器也可以替代eflash基的nand存储器、存储类内存(storage class memory，scm)等多种类型的存储器。

4、向存储结构写入第一数值时，例如第一数值可以为“1”，可以向第一电极和第二电极施加宽脉冲低幅值的电流脉冲，使得相变层中的相变材料达到结晶温度，使相变材料从非晶态转化为晶态，电阻由高阻值转变为低阻值，从而完成第一数值的写入操作。向存储结构写入第二数值时，例如第二数值可以为“0”，可以向第一电极和第二电极施加窄脉冲高幅值的电流脉冲，使相变层中的相变材料快速升温，达到熔化温度，经快速冷却后，使相变材料从晶态转变为非晶态，电阻由低阻值转变为高阻值，从而完成第二数值的写入操作。读取存储结构中存储的数值时，可以向第一电极和第二电极施加一个低幅值的电流脉冲，以读取存储结构存储的数值。

5、向存储结构写入第一数值的过程中，相变材料从非晶态转化为晶态至少需要经历两步，首先，从非晶态转化为面心立方(fcc)晶态结构，实现电阻初步降低，然后，从面心立方结构转变为密排六方(hcp)结构，进一步降低电阻，从而完成第一数值的写入操作。从非晶态转化为面心立方晶态结构，非晶态中随机分布的四元环起到了晶种的作用，该四元环的数量和寿命决定了相变材料相转变的操作速度。

6、本技术实施例中，上述相变材料可以包括但不限于：钪(sc)锑(sb)碲(te)材料、钛(ti)锑(sb)碲(te)材料、钽(ta)锑(sb)碲(te)材料、钇(y)锑(sb)碲(te)材料中的至少之一。由于相变材料中具有钪、钛、钽或钇元素，使得四元环在晶种中所占比例较高，且由于sc-te、ti-te、ta-te或y-te的键能较高，使得sc-sb-te、ti-sb-te、ta-sb-te或y-sb-te四元环的寿命较高，一般可达到50ps以上，从而使相变材料具有稳定性较高且数量较多的四元环，来完成从非晶态转变为面心立方结构的操作过程，从而提升相变材料的操作速度，例如，该操作速度可达亚纳秒(<1ns)，从而满足替代dram存储器的操作速度需求。

7、由于本技术实施例中，相变材料可以均匀分布于相变层中，因而，该相变材料中的钪、钛、钽或钇元素的含量较高，可以提升相变材料的非晶态电阻，例如，相变材料的非晶态电阻在室温下可达2e8ω/square，有利于降低第二数值写入过程中的操作电流，降低相变存储器的操作能耗。此外，本技术实施例中相变材料的结晶温度较高，一般高于200℃，使相变材料的非晶态可以承受加工过程中的热负载(thermal budget)。并且，本技术实施例中相变材料的活化能较高，一般高于2.5ev，较高的结晶温度和较高的活化能有利于相变材料非晶体的稳定性，可提升器件使用寿命，有利于多值存储。

8、在具体实施时，为了选择相变存储器中的存储结构，相变存储器还可以包括：与上述多个存储结构一一对应的多个开关器件，开关器件与对应的存储结构连接，通过控制开关器件导通或截止，可以实现对开关器件连接的存储结构的读写操作。在具体实施时，上述开关器件可以为晶体管、选通管、二极管或三极管等。

9、在具体实施时，相变层中的相变薄膜的层数可以比连接薄膜的层数多一层，即相变层可以包括至少两层相变薄膜，相变层中的每一个连接薄膜可以位于相邻的两个相变薄膜之间。这样，第一电极可以与一层相变薄膜直接接触，第二电极可以与一层相变薄膜直接接触，使第一电极和第二电极更容易向相变层中的相变材料施加相应的脉冲，并且，可以使相变层中的相变薄膜的层数较多，使相变层中分布的相变材料较多，从而，进一步提高存储结构的操作速度。

10、示例性地，本技术实施例中，相变层的厚度可以在30nm～100nm之间，例如相变层的厚度可以为50nm左右。相变层中的相变薄膜的厚度可以大于连接薄膜的厚度，从而使相变层中的相变材料较多，从而提升相变存储器的电学性能。

11、在一种可能的实现方式中，第一电极可以包括但不限于金属氮化物薄膜和碳电极，金属氮化物薄膜的厚度可以设置为90nm左右，碳电极的厚度可以设置为10nm左右。金属氮化物可以为氮化钛(tin)或氮化钽(tan)等。碳电极可以为未掺杂碳电极或掺杂碳电极，例如，可以为硅掺杂碳电极(c：si)。或者，第一电极也可以为铝(al)、铜(cu)、钨(w)、钽(ta)、铂(pt)、铱(ir)等金属电极或以上电极的组合。类似地，第二电极可以包括但不限于金属氮化物薄膜和碳电极，金属氮化物薄膜的厚度可以设置为90nm左右，碳电极的厚度可以设置为10nm左右。金属氮化物可以为氮化钛(tin)或氮化钽(tan)等。碳电极可以为未掺杂碳电极或掺杂碳电极，例如，可以为硅掺杂碳电极(c：si)。或者，第二电极也可以为铝(al)、铜(cu)、钨(w)、钽(ta)、铂(pt)、铱(ir)等金属电极或以上电极的组合。在具体实施时，第一电极和第二电极也可以包括其他导电材料，此处不做限定。

12、在本技术实施例中，存储结构中的相变层可以包括：至少一层相变薄膜和至少一层连接薄膜，且相变薄膜和连接薄膜交替层叠设置。在制作工艺过程中，可以依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，并经退火处理反应形成相变层。在制作工艺过程中，采用的第二薄膜的材料不同，或者，第一薄膜与第二薄膜的膜厚比例不同，得到的相变层的具体结构可能不同，使存储结构至少具有以下几种实现方式。

13、实现方式一：

14、连接薄膜可以包括：金属碲化物材料，例如，该金属碲化物可以为碲化钪(sc2te3)、碲化钛(ti2te3)、碲化钽(ta2te3)或碲化钇(y2te3)等，连接薄膜中的金属碲化物材料(例如sc2te3材料)与相邻的相变薄膜中的相变材料(例如sst材料)构成异质结。以金属碲化物为碲化钪(sc2te3)，相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sc2te3/sst/sc2te3/sst……/第二电极。由于金属碲化物材料(例如sc2te3材料)的内聚能较大，结构稳定，而且金属碲化物材料(例如sc2te3材料)与碲化锑(sb2te3)材料和相变材料(例如sst材料)具有非常良好的晶格匹配度，晶化的金属碲化物材料(例如sc2te3材料)可以充当异质结中相变材料(例如sst材料)的晶种模板，从而提升存储结构的操作速度、一致性和可靠性，降低能耗。

15、实现方式二：

16、连接薄膜可以包括：金属材料，例如该金属材料可以为钪(sc)、钛(ti)、钽(ta)或钇(y)等，连接薄膜与相邻的相变薄膜电连接，使相变层为多个相变薄膜的串联结构，以该金属材料为钪(sc)为例，相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sc/sst/sc/sst……/第二电极。其中，每一层相变薄膜的膜厚可缩小至nm级别，缩小相变层中的相变区域，可进一步提升相变存储器的操作一致性和可靠性。

17、实现方式三：

18、连接薄膜可以包括：碲化锑(sb2te3)材料。以相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sb2te3/sst/sb2te3/sst……/第二电极。该结构可以使相变层中的相变材料分布较均匀，相变材料的四元环组分中sc所占比例较高，有利于降低相变存储器的操作延时和操作功耗。

19、第二方面，本技术实施例还提供了一种上述相变存储器的制作方法，该制作方法可以包括：

20、在衬底之上形成第一电极。

21、在第一电极所在膜层之上依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，并进行退火处理，以使至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜经反应形成相变层；其中，相变层包括：至少一层相变薄膜和至少一层连接薄膜，相变薄膜和连接薄膜交替层叠设置，相变薄膜包括相变材料。形成的相变层的厚度可以在30nm～100nm之间，例如相变层的厚度可以为50nm左右。在具体实施时，可以根据实际需要，来设置第一薄膜和第二薄膜的沉积次数，以及第一薄膜和第二薄膜的厚度。

22、在相变层之上形成第二电极。

23、本技术实施例提供的上述相变存储器的制作方法中，可以依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，形成的第一薄膜和第二薄膜交替层叠设置，经退火处理反应后可以形成相变层，形成的相变层包括至少一层相变薄膜和至少一层连接薄膜，且相变薄膜和连接薄膜交替层叠设置，使相变材料均匀分布于相变层中，提升相变存储器的电学性能和可靠性，使相变存储器具有操作速度快、低延迟、低功耗、高可靠性等特点。并且，制作工艺的可控性较高，提高了相变存储器的电学特性以及产品重复性和可靠性，使相变存储器能够达到替代dram存储器的需求。

24、在形成第一电极之前，上述制作方法还可以包括：形成开关器件的各膜层。该开关器件可以为晶体管、选通管、二极管或三极管等各种类型的开关器件。

25、在一种可能的实现方式中，上述在第一电极所在膜层之上依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，可以包括：

26、在第一电极所在膜层之上形成的第一层和最后一层均为第一薄膜。

27、这样，形成的相变层中，相变薄膜的层数可以比连接薄膜的层数多一层，相变层中的每一个连接薄膜可以位于相邻的两个相变薄膜之间。使第一电极可以与一层相变薄膜直接接触，第二电极可以与一层相变薄膜直接接触，使第一电极和第二电极更容易向相变层中的相变材料施加相应的脉冲，并且，可以使相变层中的相变薄膜的层数较多，使相变层中分布的相变材料较多，从而，进一步提高存储结构的操作速度。

28、在本技术实施例中，制作相变存储器的过程包括前道工艺、中道工艺和后道工艺，形成相变层的步骤为后道(back end of line，beol)工艺，这样，本技术实施例中对相变层的制作工艺进行改进，不会影响前道工艺和中道工艺，并且，形成相变层的步骤在前道工艺流程中的第一步的薄膜沉积中，不会引起后续刻蚀和保形问题，工艺简单，不影响相变存储器的微缩性，可实现高密度存储。

29、在实际应用中，第一薄膜可以包括：碲化锑材料，第二薄膜可以包括：金属碲化物材料或金属材料，上述各第二薄膜的总厚度可以为各第一薄膜和各第二薄膜的总厚度的1％～30％，通过调整第一薄膜和第二薄膜的厚度，可以使各第二薄膜中的元素(例如sc或sc2te3)的原子个数占相变层中各元素的总原子个数比例在2％～15％的范围内，优选为4％～8％。

30、在本技术实施例中，采用的第二薄膜的材料不同，或者，第一薄膜与第二薄膜的膜厚比例不同，得到的相变层的具体结构可能不同，使存储结构可以具有多种实现方式。

31、在一种可能的实现方式中，上述第一薄膜可以包括：碲化锑(sb2te3)材料，上述第二薄膜可以包括：金属碲化物材料，例如，该金属碲化物可以为碲化钪(sc2te3)、碲化钛(ti2te3)、碲化钽(ta2te3)或碲化钇(y2te3)等。

32、上述在第一电极所在膜层之上依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，并进行退火处理，可以包括：

33、第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例大于设定值时，即第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例较高时，由于第二薄膜的厚度较大，在退火加热过程中，第二薄膜中的一部分金属碲化物材料与第一薄膜中的碲化锑材料进行固相反应得到组分均匀的相变材料，形成相变薄膜，剩余的部分金属碲化物材料在加热过程中晶化，形成连接薄膜，连接薄膜中的金属碲化物材料(例如sc2te3材料)与相邻的相变薄膜中的相变材料(例如sst材料)构成异质结。以金属碲化物为碲化钪(sc2te3)，相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，得到的存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sc2te3/sst/sc2te3/sst……/第二电极。由于金属碲化物材料(例如sc2te3材料)的内聚能较大，结构稳定，而且金属碲化物材料(例如sc2te3材料)与碲化锑(sb2te3)材料和相变材料(例如sst材料)具有非常良好的晶格匹配度，晶化的金属碲化物材料(例如sc2te3材料)可以充当异质结中相变材料(例如sst材料)的晶种模板，从而提升存储结构的操作速度、一致性和可靠性，降低能耗。

34、第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例小于设定值时，即第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例较低时，由于第二薄膜的厚度较薄，退火加热过程中，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属碲化物材料充分固化反应，得到组分均匀的相变材料，形成相变薄膜。反应后第一薄膜中剩余部分碲化锑材料，剩余的碲化锑材料形成连接薄膜，以得到上述实现方式三所述的结构。以相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sb2te3/sst/sb2te3/sst……/第二电极。经过进一步调控第一薄膜的膜厚，使退火处理后第一薄膜中的碲化锑材料无剩余，可以得到第一电极/组分均匀的sst/第二电极的结构，该结构可以使相变层中的相变材料分布较均匀，相变材料的四元环组分中sc元素所占比例较高，能够有效提升相变存储器的操作一致性、可靠性，有利于降低相变存储器的操作延时和操作功耗。

35、在另一种可能的实现方式中，第一薄膜可以包括：碲化锑(sb2te3)材料，第二薄膜可以包括：金属材料，例如该金属材料可以为钪(sc)、钛(ti)、钽(ta)或钇(y)等。经退火处理后，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属材料反应后得到相变材料，形成相变薄膜。

36、上述在第一电极所在膜层之上依次交替形成至少一层第一薄膜和至少一层第二薄膜，并进行退火处理，可以包括：

37、第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例大于设定值时，即第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例较高时，在退火加热过程中，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属材料进行固相反应形成相变材料，以形成相变薄膜，由于金属材料的化学活性较高，金属材料容易与碲化锑材料反应生成相变材料。且由于第一薄膜的厚度较薄，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属材料的固相反应充分，可以制作得到组分均匀的相变薄膜。由于第二薄膜的厚度相对较厚，固相反应后第二薄膜中剩余部分金属材料，剩余的金属材料可以形成连接薄膜，连接薄膜与相邻的相变薄膜电连接，即剩余的金属材料可以作为电极层，以形成微器件串联结构，使形成的相变层为多个相变薄膜的串联结构，以该金属材料为钪(sc)为例，相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sc/sst/sc/sst……/第二电极。其中，每一层相变薄膜的膜厚可缩小至nm级别，缩小相变层中的相变区域，可进一步提升相变存储器的操作一致性和可靠性。

38、第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例小于设定值时，即第二薄膜与第一薄膜的膜厚比例较低时，在退火加热过程中，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属材料进行固相反应形成相变材料，以形成相变薄膜。由于金属材料的化学活性较高，金属材料容易与碲化锑材料反应生成相变材料。且由于第一薄膜的厚度较薄，第一薄膜中的碲化锑材料与第二薄膜中的金属材料的固相反应充分，可以制作得到组分均匀的相变薄膜。由于第二薄膜的厚度相对较薄，第二薄膜中的金属材料可以与第一薄膜中的碲化锑材料固相完全反应。反应后第一薄膜中剩余部分碲化锑材料，剩余的碲化锑材料形成连接薄膜。以相变薄膜的相变材料为钪锑碲(sc-sb-te，sst)材料为例，存储结构的结构可以为：第一电极/sst/sb2te3/sst/sb2te3/sst……/第二电极。经过进一步调控第一薄膜的膜厚，可以得到第一电极/组分均匀的sst/第二电极的结构，该结构可以使相变层中的相变材料分布较均匀，相变材料的四元环组分中sc元素所占比例较高，能够有效提升相变存储器的操作一致性、可靠性，有利于降低相变存储器的操作延时和操作功耗。

39、以上对相变层的制作过程进行了详细描述，在具体实施时，可以根据实际需要，来调节第一薄膜和第二薄膜的层数、厚度，以得到相变材料组分均匀的相变层。

40、第三方面，本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备可以包括：上述任一相变存储器，以及壳体；相变存储器位于壳体内部。由于上述相变存储器具有操作速度快、低延迟、低功耗、高可靠性等特点。并且，上述相变存储器的制作工艺的可控性较高，提高了相变存储器的电学特性以及产品重复性和可靠性，使相变存储器能够达到替代dram存储器的需求。因而，包括上述相变存储器的电子设备的运行速度较快，性能较好。