一种相变存储单元及其制备方法

本发明属于半导体集成电路制造，特别是涉及一种相变存储单元及其制备方法。

背景技术：

1、非易失相变随机存取存储器(pcram)被认为是大数据时代海量存储器的理想选择之一。具有计算功能的pcram是一种很有前途的非冯·诺伊曼计算体系结构的电路构建模块。它具有非易失性、高器件密度、高操作速度和长循环寿命等优良特性。在以数据为中心的应用中，这些特性是存算一体组件的关键推动因素。因此，在材料和器件结构方面，人们对新型相变存储器的要求越来越高，以实现高通量、高效率和低功耗的信息处理。目前pcram面临的最大挑战是如何进一步降低功耗，而缩小相变存储单元尺寸是其中一种优选的解决思路，尺寸缩小不仅可以降低操作能耗，还可以集成更多的存储设备。

2、现有技术中，由于相变材料与加热电极之间的接触面积较大，从而导致相变区体积较大，使相变材料需要更大的电量来产生更多的焦耳热以产生相变，因此存储单元通常具有较高的功耗。半导体行业的先进微纳加工技术只能将存储单元扩展到7纳米以下，然而接触面积仍然有几十平方纳米。

3、目前科学家尝试在碳纳米管中制造间隙填充相变材料的方法减小操作区间的体积，从而降低功耗，然而在制造间隙时需要高超的技术和复杂的工艺；采用刀片电极是另一种可以减小操作区间体积从而减少功耗的方法，然而现有的最先进的刀片电极存储单元的横截面积仍超过40nm2。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储单元及其制备方法，用于解决现有技术中相变存储单元功耗大的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种相变存储单元的制备方法，所述制备方法包括：

3、提供基底层；

4、于所述基底层上设置石墨烯层；

5、于所述石墨烯层上设置封装层，所述基底层、所述石墨烯层、所述封装层组成范德华异质结构；

6、于所述范德华异质结构设置相互间隔的多个凹槽，每个所述凹槽贯穿所述石墨烯层和所述封装层，使所述石墨烯层分别在相邻的两凹槽中显露出相对的第一边界面和第二边界面；

7、于所述范德华异质结构相对两侧的所述凹槽内分别设置第一电极层和第二电极层，所述第一边界面与所述第一电极层形成有效电连接，所述第二边界面与所述第二电极层之间设置沟道；

8、于所述沟道中设置相变材料层，所述相变材料层的一端与所述第二边界面形成有效电连接，另一端与所述第二电极层形成有效电连接。

9、可选地，所述石墨烯层通过微机械剥离法或化学气相沉积法制备设置在所述基底层上，和/或所述封装层通过干法转移技术或原子层沉积技术(ald)设置到所述石墨烯层上。

10、可选地，所述沟道和/或所述凹槽通过电子束光刻、反应离子刻蚀方法和/或电感耦合等离子体刻蚀方法制备得到。

11、可选地，通过电子束光刻、反应离子刻蚀方法和/或电感耦合等离子体刻蚀方法处理所述范德华异质结构，使所述石墨烯层显露所述第一边界面和所述第二边界面。

12、可选地，设置所述相变材料层后，对形成的所述相变存储单元进行快速热退火工艺。

13、本发明还提供一种相变存储单元，所述相变存储单元采用上述任意一种制备方法得到，所述相变存储单元包括：范德华异质结构、相变材料层、第一电极层和第二电极层；

14、所述范德华异质结构包括基底层、石墨烯层和封装层，所述石墨烯层设置于所述基底层上，所述封装层设置于所述石墨烯层上；

15、所述范德华异质结构设置有相互间隔的多个凹槽，每个所述凹槽贯穿所述石墨烯层和所述封装层，所述石墨烯层分别在相邻的两凹槽中显露出相对的第一边界面和第二边界面；

16、所述范德华异质结构相对两侧的所述凹槽内分别设置有第一电极层和第二电极层，所述第一边界面与所述第一电极层形成有效电连接，所述第二边界面与所述第二电极层之间设置有相变材料层，所述相变材料层的一端与所述第二边界面形成有效电连接，另一端与所述第二电极层形成有效电连接。

17、可选地，所述基底层材料包括衬底层和绝缘层，所述绝缘层设置于所述石墨烯层和所述衬底层之间，所述衬底层材料或/和所述绝缘层材料为硅、二氧化硅、碳化硅、金刚石或六方氮化硼的一种或一种以上的任意组合。

18、可选地，所述封装层的材料为六方氮化硼、氧化铝、氮化硅或氧化铪中的一种或一种以上的任意组合，和/或所述石墨烯层为单层石墨烯。

19、可选地，所述相变材料层的材料为钽、锑、碲三种元素组成的化合物。

20、可选地，所述第一电极层和/或所述第二电极层的材料为钯、铬金合金或钛金合金中的一种或一种以上的任意组合。

21、如上，本发明的相变存储单元及其制备方法，具有以下有益效果：

22、本发明通过石墨烯作为电极与相变材料产生边界接触的结构，缩小了电极接触可以实现的最小尺寸，从而缩小了相变材料与电极的接触面积，降低器件功耗；

23、本发明利用该石墨烯较高的结构稳定性，通过六方氮化硼作为石墨烯的封装层，保护石墨烯免受外界干扰，保证了相变存储单元较高的循环操作寿命；

24、本发明通过六方氮化硼作为石墨烯的封装层，实现高效散热效果的同时保护石墨烯免受外界干扰；

25、本发明石墨烯电极和六方氮化硼封装结构配合六方氮化硼及石墨烯的高热导率，可以实现相变材料阻态的高速转换，适应高速器件的应用。

技术特征：

1.一种相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层通过微机械剥离法或化学气相沉积法制备设置在所述基底层上，和/或所述封装层通过干法转移技术或原子层沉积技术设置到所述石墨烯层上。

3.根据权利要求1所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述沟道和/或所述凹槽通过电子束光刻、反应离子刻蚀方法和/或电感耦合等离子体刻蚀方法制备得到。

4.根据权利要求1所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，通过电子束光刻、反应离子刻蚀方法和/或电感耦合等离子体刻蚀方法处理所述范德华异质结构，使所述石墨烯层显露所述第一边界面和所述第二边界面。

5.根据权利要求1所述的相变存储单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：设置所述相变材料层后，对形成的所述相变存储单元进行快速热退火工艺。

6.一种相变存储单元，其特征在于，所述相变存储单元采用权利要求1-5中任意一项所述的制备方法得到，所述相变存储单元包括：范德华异质结构、相变材料层、第一电极层和第二电极层；

7.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述基底层材料包括衬底层和绝缘层，所述绝缘层设置于所述石墨烯层和所述衬底层之间，所述衬底层材料或/和所述绝缘层材料为硅、二氧化硅、碳化硅、金刚石或六方氮化硼的一种或一种以上的任意组合。

8.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述封装层的材料为六方氮化硼、氧化铝、氮化硅或氧化铪中的一种或一种以上的任意组合，和/或所述石墨烯层为单层石墨烯。

9.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述相变材料层的材料为钽、锑、碲三种元素组成的化合物。

10.根据权利要求6所述的相变存储单元，其特征在于，所述第一电极层和/或所述第二电极层的材料为钯、铬金合金或钛金合金中的一种或一种以上的任意组合。

技术总结
本发明提供一种相变存储单元及其制备方法，方法包括：于基底层上设置石墨烯层，于石墨烯层上设置封装层，石墨烯层的第一边界面设置第一电极层，相变材料层一端与石墨烯层的第二边界面形成电连接，另一端设置第二电极层。本发明通过石墨烯作为电极与相变材料产生边界接触的结构，将相变材料与电极的接触面积推向极限小，可极大的降低器件功耗；同时通过六方氮化硼作为石墨烯的封装层，保护石墨烯免受外界干扰，保证了相变存储单元较高的循环操作寿命；另外，石墨烯电极和六方氮化硼封装结构配合六方氮化硼及石墨烯的高热导率，可以实现相变材料阻态的高速转换，适应高速器件的应用。

技术研发人员：王浩敏,王秀君,宋三年,于广辉,宋志棠
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29