相变材料、相变存储器、及制备方法

技术领域

本公开实施例涉及存储器领域，涉及但不限于一种相变材料、相变存储器、及制备方法。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是利用相变材料在晶态和非晶态的巨大电阻差异实现信息存储的新型存储器。相变材料在非晶态时具有较高电阻，其分子结构为无序状态；相变材料在晶态时具有较低电阻，其内部分子结构为有序状态，两态之间的电阻差异通常达到2个数量级。通过电流诱导的焦耳热，可以实现相变材料在两个电阻态(高电阻和低电阻)之间的快速转变。

因PCM具有稳定性强、功耗低、存储密度高、与传统的CMOS工艺兼容等优点，从而受到越来越多研究者和企业的关注。PCM以其巨大的优势，被认为是最具潜力的下一代非易失性存储器之一。

相变材料是PCM的核心，相变材料在加工制成相变存储器后，其性能往往与设计性能发生偏差，如何使相变材料在加工后仍保持其设计性能成为了亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种相变材料、相变存储器、及制备方法。

第一方面，本公开实施例提供一种相变材料所述相变材料应用于相变存储器；所述相变材料包括：

第一元素和第二元素；其中，所述相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素；

所述相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。

在一些实施例中，所述第一元素为Ge元素；所述第二元素为Sb元素。

在一些实施例中，所述相变材料还包括第三元素；其中，所述第三元素为元素周期表中第3族至第13族元素中的至少一种。

在一些实施例中，所述第三元素包括In元素。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构。

在一些实施例中，所述类超晶格结构包括交替排布的第一材料层和第二材料层。

在一些实施例中，所述第一材料层包括所述第一元素；

所述第二材料层包括所述第二元素。

第二方面，本公开实施例提供一种相变材料的制备方法，所述方法包括：

提供至少含有第一元素的第一靶材；

提供至少含有第二元素的第二靶材；

利用所述第一靶材和所述第二靶材形成包含第一元素和第二元素的相变材料；所述相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素；所述相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。

在一些实施例中，所述第一元素为Ge元素；所述第二元素为Sb元素。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述利用所述第一靶材和所述第二靶材形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

利用所述第一靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述利用所述第一靶材和第二靶材所述形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

提供至少含有第三元素的第三靶材；

利用所述第一靶材和/或所述第三靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材和/或所述第三靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述第一靶材和/或所述第二靶材还含有第三元素；所述利用所述第一靶材和第二靶材所述形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

利用所述第一靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，所述第三元素为第3族至第13族元素中的至少一种。

在一些实施例中，所述第三元素包括In元素。

第三方面，本公开实施例提供一种相变存储器的制备方法，所述方法包括：

形成第一地址线层；

在所述第一地址线层上形成相变堆叠层；所述相变堆叠层包含相变材料层；所述相变材料层的材料为第一相变材料；所述第一相变材料包括：第一元素和第二元素；其中，所述第一相变材料中的所述第一元素的组分大于预设组分；

刻蚀所述第一地址线材料层形成多条相互平行第一地址线；

刻蚀所述相变堆叠层形成多个互不相连的相变存储堆叠体；其中，刻蚀后的所述相变存储堆叠体中的所述相变材料层的材料转化为第二相变材料；所述第二相变材料的所述第一元素的组分小于所述第一元素的组分且大于或等于所述预设组分；

在所述相变存储堆叠体上形成多条相互平行第二地址线；所述第一地址线与所述第二地址线垂直。

在一些实施例中，所述在所述第一地址线材料层上形成相变堆叠层包括：

在所述第一地址线材料层上形成依次堆叠的下电极层、双向阈值开关层、中间电极层、所述相变材料层以及上电极层。

第四方面，本公开实施例提供一种相变存储器，包括：

第一地址线层；其中，所述第一地址线层包括多条相互平行的第一地址线；

第二地址线层；其中，所述第二地址线层包括多条相互平行的第二地址线；

位于所述第一地址线层和所述第二地址线层之间的相变堆叠层；所述相变堆叠层包含相变材料层；其中，所述相变材料层在形成时的相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充在形成所述相变堆叠层的过程中损耗的所述第一元素。

在一些实施例中，所述相变堆叠层，包括：

依次堆叠的下电极层、双向阈值开关层、中间电极层、所述相变材料层以及上电极层。

本公开实施例通过增加的相变材料(该相变材料至少包含第一元素和第二元素)中损耗速度较多的元素的组分(可将损耗速度较多的元素定义为第一元素)，使第一元素即使在被加工损耗后也可以达到预设组分，即达到相变材料的目标性能。并且第一元素的初始组分与预设组分的差值为第一元素在加工过程中的损耗值，故初始组分可设定为预设组分加上损耗值。

本公开实施例中，考虑到了利用相变材料制造相变存储器的过程中，不同元素的损耗不同。因此，提供了增大第一元素组分的相变材料。利用增加相变材料中第一元素的组分的方式，使得该相变材料在应用于相变存储器时可以弥补后续工艺中第一元素的损耗，从而更有利于保持相变存储器的实际性能与设计性能的一致性。

附图说明

图1为一种三维交叉点(3D X Point)存储器件的透视图。

图2为本公开实施例中提供的一种相变材料的结构示意图；

图3为本公开实施例中提供的类超晶格结构的相变材料的结构示意图；

图4为本公开实施例中的相变材料的制备方法的流程图；

图5为本公开实施例中的一种相变存储器的制备方法的流程图；

图6A至6D为本公开实施例提供的一种相变存储器制备过程中的结构透视图；

图7为本公开实施例提供的另一种相变存储器的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的首选实施例。但是，本公开可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本公开的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了实现描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本公开。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

相变存储器的基本存储原理是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号，使相变材料发生物理相态的变化，即晶态(低阻态)和非晶态(高阻态)之间发生可逆相变互相转换，从而实现信息的写入(“1”)和擦除(“0”)操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程，其中前者被称为非晶化过程(RESET)，后者被称为晶化过程(SET)。然后依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出，这种非破坏性的读取过程，能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。

相变存储器包括二维相变存储器和三维相变存储器，三维相变存储器包括3D XPoint存储器，其基于体块材料属性的电阻改变(例如，处于高电阻状态或低电阻状态)来存储数据，该方案与可堆叠的交叉点数据存取阵列相结合，以使得能够进行位寻址。例如，图1示出了示例性3D X Point存储器100的结构透视图。根据一些实施例，3D X Point存储器100具有无晶体管的交叉点架构，该架构使存储单元位于垂直导体的相交处；这里的垂直导体包括彼此垂直相交的字线(WL，Word Line)与位线(BL，Bit Line)，WL和BL一般由图案化工艺之后形成的20nm/20nm等幅线宽(line/space，L/S)构成。在垂直的WL和BL的交叉点上形成存储单元。3D X Point存储器100包括同一平面中的多条彼此平行的下部位线111以及在下部位线111上方的同一平面中的多条彼此平行的上部位线121。

3D X Point存储器100还包括在垂直方向上在下部位线111和上部位线121之间的同一平面中的多条彼此平行的下部字线112和上部字线122。如图1所示，每条下部位线111和每条上部位线121在俯视平面图(平行于晶片平面)中沿位线方向横向延伸，并且每条下部字线112和上部字线122在俯视平面图中沿字线方向横向延伸，每条下部字线112和上部字线122垂直于每条下部位线111和每条上部位线121。

如图1所示，3D X Point存储器100包括多个下部存储单元110和多个上部存储单元120，每个下部存储单元110设置在下部位线111与相应的下部字线112的相交处，每个上部存储单元120设置在上部位线121与相应的上部字线122的相交处。每个存储单元110/120至少包括垂直堆叠的PCM元件和选择器。每个存储单元110/120存储单个数据位，并且可以通过改变施加至相应选择器(其取代了对晶体管的需求)的电压而对每个存储单元110/120进行写入或读取。可以通过经由与每个存储单元接触的顶部导体和底部导体(例如，相应的下部字线112或上部字线122以及下部位线111或上部位线121)施加的电流来单独存取每个存储单元。3D X Point存储器100中的存储单元按照存储阵列布置。这种将两组WL、BL以及存储单元进行堆叠的设计，提高了比特密度。

相变材料的性能参数包括结晶转变温度(Tx)、数据保持性能(Data Retention)以及RESET电阻与Set电阻之比(非晶体下的阻值与晶态下的阻值的比值)。通常，较高的结晶转变温度有利于改善热稳定性和降低功耗。数据保持能力是用于评价在温度升高的操作下，在一阵列内的存储单元的有源区内的相变化材料由于非期望的转换导致产生错误的数据和所需的储存数据的遗失的概率。而较高的RESET电阻与SET电阻之比有利于区分出相变材料的非晶态和晶体，这有利于PCM读写擦(Read-Write-Modify，RWM)窗口增加。

在一些实施例中，在相变存储器中使用含锗(Ge)、锑(Sb)以及碲(Te)的合成材料(GST)，例如Ge

为解决上述问题，本公开实施例提供一种相变材料，如图2所示，所述相变材料201应用于相变存储器；所述相变材料201包括：

第一元素和第二元素；其中，所述相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素；

所述相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。

PCM可以利用相变材料在其晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据。相变材料在用于制造相变存储器时，可以对相变材料进行再次加工后使用，通过再次加工可以使相变材料具有特定的结构、形状、规格等等。而加工处理相变材料的方式可以包括刻蚀工艺、湿法清洗等。

本公开实施例所使用的相变材料至少包含两种元素(第一元素和第二元素)，对该相变材料进行加工时各元素的损耗速度是不一样的。这里，可将损耗速度较快的元素定义为第一元素。例如，对该相变材料进行干法刻蚀处理时，相变材料中的第一元素相较于第二元素更易受刻蚀气体的腐蚀作用，而导致第一元素的损耗多于第二元素。

在一些实施例中，预设组分为第二相变材料的组分。第一元素的损耗量大于第二元素的损耗量，在第二元素损耗完毕前，仍能保证有第一元素剩余在相变材料中，使的相变材料仍能保持其设计性能。

在一些实施例中，相变材料的性能在不同的组分下是不同的，预设组分为可设定为第一元素损耗后可达到相变材料目标性能的组分。通过增加的相变材料(该相变材料至少包含第一元素和第二元素)中第一元素的组分，使第一元素即使在被加工损耗后也可以达到预设组分，即达到相变材料的目标性能。可以理解，第一元素的初始组分与预设组分的差值为第一元素在加工过程中的损耗值。

本公开实施例将相变存储器制造的中间过程考虑进相变材料参数的设计中来，使得相变材料的参数设计更加精准，更有利于保持相变存储器的实际性能与设计性能的一致性。

在一些实施例中，所述第一元素为Ge元素；所述第二元素为Sb元素。

相变材料至少包含两种元素，两种元素可为Ge元素或Sb元素。除了这两种元素，相变材料还可以包括其他元素，该相变材料的化学通式可以写为：Ge

下面以A元素为Te为例，其可以构成化学通式为Ge

而GeSbTe家族的材料受化学通式角下标的不同，其具有不同的性能。

在一些实施例中，Ge的组分可设定为损耗后可达到相变材料目标性能的组分。下面以Ge

Ge

若直接对Ge

在对GeSbTe家族的相变材料进行加工处理时，可以将Ge元素的损失部分考虑进来，若Ge损失的部分为m，则可以使用Ge

上述实施例，仅考虑了加工过程中Ge元素的损失，在一实施例中，还可以将Sb元素的损失考虑进来。即使用Ge

在一些实施例中，预设组分为Sb元素的组分。下面以Ge

在Ge

在Ge

上述实施例均是以GeSbTe家族的材料的化学式的角下标代表其各元素的原子量所占的组分所举的示例，应当理解，当GeSbTe家族的材料的化学式的角下标代表其各元素在所在相变材料中的占比时，也可以按照各元素的损失不同，回推待加工的相变材料的化学式，并且该代加工的相变材料的化学式的各元素占比也为100％。

在一些实施例中，所述相变材料还包括第三元素；其中，所述第三元素为元素周期表中第3族至第13族元素中的至少一种。

在相变存储器中可以使用含锗(Ge)、锑(Sb)以及碲(Te)的合成材料(GST)，例如Ge

在一些实施例中，可以通过在GST中添加第三元素来提高该相变材料在非晶态的稳定性，以改善长期数据存储性能，同时保持可以高速获得结晶的特性。

所添加的第三元素可以是第3族至第13族元素中的至少一种。

在一些实施例中，可以在GST中添加Sn元素，该相变材料可以在一定程度上提高器件的读写速度，添加Sn元素后，利用该相变材料写“0”的速度可以由200ns缩短到40ns，而写“1”的速度也由原来的40ns减少到10ns。另外，读取数据的速度也有所提高，因为该相变材料在晶态时的阻值由50KΩm减少到4KΩm，从而有效实现了低功耗和快速读写。

在一些实施例中，所述第三元素包括In元素。

在一些实施例中，可以在GST中添加In元素组成InGeSbTe家族的材料。InGeSbTe家族的材料可以使用化学通式In

InGeSbTe家族的材料可以为In

上述实施例中的相变材料可以为单层相变材料。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构。

所谓类超晶格相变材料，即不同的相变材料层交替分布，每层厚度为几个纳米量级的材料。这种优化设计可大大提高相变速度，同时也提高相变层的结构稳定性。

通过形成类超晶格结构，可以限制相变材料的损耗，并且可以通过高温处理工艺和相变存储器读写擦循环可以保持类超晶格结构。因此，该类超晶格结构的相变材料可以改善三维相变存储器的RESET电流(非晶化过程中的电流)和循环。

在一些实施例中，如图3所示，所述类超晶格结构包括交替排布的第一材料层301和第二材料层302。

在一些实施例中，所述第一材料层301包括所述第一元素；

所述第二材料层302包括所述第二元素。

类超晶格结构至少包括交替排布的两种及以上的材料层，以类超晶格结构包含交替排布的两种材料层为例。在一些实施例中，第一元素和第二元素可以分别在不同材料层中。以第一元素为Ge元素，第二元素为Sb元素为例，第一材料层301可以包括Ge元素，第二材料层302可以包括Sb元素。

在一些实施例中，第一元素和/或第三元素可用于构成第一材料层301，第一元素和/或第三元素可用于构成第二材料层302。例如，第一元素可为Ge元素，第二元素可为Sb元素，第三元素可为In元素。第一相变材料层301可为GeTe，第二相变材料层302可为In

在一些实施例中，In元素的组分在1％到20％之间。

本公开实施例还提供一种相变材料的制备方法，如图4所示，所述方法包括：

步骤S101、提供至少含有第一元素的第一靶材；

步骤S102、提供至少含有第二元素的第二靶材；

步骤S103、利用所述第一靶材和所述第二靶材形成包含第一元素和第二元素的相变材料；所述相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素；所述相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。

相变材料的制备方法可以采用沉积工艺或生长工艺。

沉积工艺包括但不限于化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced CVD，PECVD)、溅镀(Sputtering)、有机金属化学气相沉积(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)或原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)等等。

在一些实施例中，可以通过外延生长工艺形成第一材料层或第二材料层，再通过沉积工艺或生长工艺形成第二材料层或第一材料层。重复此步骤，直至制造出所需的相变材料。

在一些实施例中，可以通过沉积工艺形成类超晶格结构的相变材料。例如通过沉积工艺中的溅渡(例如，射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering))或原子层沉积的方式。

在一实施例中，可以通过溅射系统制造上述实施例所述的相变材料。

喷溅系统可以包含腔室，基板，基板被安装在腔室内。基板可以P型单晶硅。腔室内还可以提供至少含有第一元素的和第二元素的第一靶材。

第一靶材的制备方式可以为：首先，将组分占比为x的第一元素，组分占比为y的第二元素混合组成原料。在一些实施例中，还可以包括其他元素，例如将组分占比为x的第一元素，组分占比为y的第二元素，组分占比为z的其他元素混合组成原料，其他元素可以至少一种元素。

然后，对该原料进行真空熔炼处理，得到第一元素-第二元素-其他元素组成的金属化合物。再将第一元素-第二元素-其他元素组成的金属化合物进行粉末冶金处理，得到干燥的第一元素-第二元素-其他元素组成的粉末。

最后将干燥的第一元素-第二元素-其他元素组成的粉末进行真空热压烧结处理，得到第一元素-第二元素-其他元素组成的相变材料溅射靶材。

利用该第一元素-第二元素-其他元素组成的相变材料溅射靶材通过溅射工艺形成包含第一元素和第二元素的相变材料。该相变材料应用于制造相变存储器的过程中的第一元素的损耗大于第二元素，故所述相变材料中的第一元素的组分x大于预设组分x1。其中，第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。即，第一元素的损耗为x-x1。

通过提高相变材料溅射靶材中第一元素的组分，再将该溅射靶材溅射为相变材料。该相变材料中的第一元素的组分占比也为x。在后续将该变材料应用于制造相变存储器的过程中的第一元素的损耗为x-x1，最终该相变材料中第一元素的组分为x1，即为预设组分，同时也具有预设的性能。在一些实施例中，预设组分可以是相变材料目标性能下第一元素的组分；在一些实施例中，预设组分可以是第二元素的组分。

在一些实施例中，所述第一元素为Ge元素；所述第二元素为Sb元素。

在一些实施例中，第一元素为Ge元素，第二元素为Sb元素，其他元素包括但不限于为Al元素、Sn元素以及Te元素等等。

溅射靶材可以为Ge

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述利用所述第一靶材和所述第二靶材形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

利用所述第一靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，还可以使用至少两种靶材，形成类超晶格结构的相变材料。

在一些实施例中，第一靶材可以含第一元素，第二靶材可以含第二元素。利用溅射工艺，在基板上先利用第一靶材溅射形成一层第一材料层，故第一材料层含第一元素，然后在再利用第二靶材溅射形成一层第二材料层，故第二材料层含第二元素。第一材料层和第二材料层可以组成复合层。可以形成N个复合层，例如为4层。这种由4层第一材料层和第二材料层可以组成复合层构成了类超晶格结构的相变材料。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述利用所述第一靶材和第二靶材所述形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

提供至少含有第三元素的第三靶材；

利用所述第一靶材和/或所述第三靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材和/或所述第三靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，类超晶格结构的相变材料还可以具有第三元素。可以使用三种靶材形成该相变材料。例如，还可以在腔室中提供至少含有第三元素的第三靶材。

利用溅射工艺，在基板上先利用第一靶材和/或第三靶材共同溅射形成一层第一材料层，故第一材料层含第一元素和/或第三元素，然后在再利用第二靶材和/或第三靶材溅射形成一层第二材料层，故第二材料层含第二元素和/或第三元素。第一材料层和第二材料层可以组成复合层。可以形成N个复合层，例如为4层。这种由4层第一材料层和第二材料层可以组成复合层构成了类超晶格结构的相变材料。

在一些实施例中，所述相变材料具有类超晶格结构；所述第一靶材和/或所述第二靶材还含有第三元素；所述利用所述第一靶材和第二靶材所述形成包含第一元素和第二元素的相变材料包括：

利用所述第一靶材形成至少一层第一材料层；

利用所述第二靶材形成与所述第一材料层交替排布的第二材料层。

在一些实施例中，类超晶格结构的相变材料还可以具有第三元素。可以使用两种靶材形成该相变材料。

利用溅射工艺，在基板上先利用第一靶材溅射形成一层第一材料层，该第一靶材可以含有第一元素和/或第三元素，故第一材料层含第一元素和/或第三元素，然后在再利用第二靶材溅射形成一层第二材料层，该第二靶材可以含有第二元素和/或第三元素，故第二材料层含第二元素和/或第三元素。第一材料层和第二材料层可以组成复合层。可以形成N个复合层，例如为4层。这种由4层第一材料层和第二材料层可以组成复合层构成了类超晶格结构的相变材料。

在一些实施例中，所述第三元素为第3族至第13族元素中的至少一种。

在一些实施例中，所述第三元素包括In元素。

在一些实施例中，第一元素可为Ge元素，第二元素可为Sb元素，第三元素可为In元素。第一相变材料层可为GeTe，第二相变材料层可为In

本公开实施例还提供一种相变存储器的制备方法，如图5所示，所述方法包括：

步骤S201、形成第一地址线层；

步骤S202、在所述第一地址线层上形成相变堆叠层；所述相变堆叠层包含第一相变材料层；所述第一相变材料层的材料为第一相变材料；所述第一相变材料包括：第一元素和第二元素；其中，所述第一相变材料中的所述第一元素的组分大于预设组分；

步骤S203、刻蚀所述第一地址线材料层形成多条相互平行第一地址线；

步骤S204、刻蚀所述相变堆叠层形成多个互不相连的相变存储堆叠体；其中，刻蚀后的所述相变存储堆叠体中的第一相变材料层中的第一相变材料转化为第二相变材料；所述第二相变材料的所述第一元素的组分小于所述第一相变材料中第一元素的组分且大于或等于所述预设组分；

步骤S205、在所述相变存储堆叠体上形成多条相互平行第二地址线；所述第一地址线与所述第二地址线垂直。

在实际工艺中，如图6A所示，可以首先提供衬底300，在衬底300上利用沉积工艺或生长工艺形成第一地址线层411。衬底300用于提供支撑作用。这里，衬底300可以为半导体衬底，所述半导体衬底可以包括P型半导体材料衬底，例如为硅(Si)衬底或者锗(Ge)衬底等、N型半导体衬底，例如磷化铟(InP)衬底、复合半导体材料衬底，例如为锗硅(SiGe)衬底等、绝缘体上硅(SOI)衬底以及绝缘体上锗(GeOI)衬底等。此外，本公开实施例中的衬底300还可以为已经形成部分器件结构，或具有一些布线的衬底，在此不做限定。

第一地址线层411的材料可以包括导电材料，所述导电材料包括但不限于钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)、铝(Al)、多晶硅、掺杂硅、硅化物或其任何组合。在后续工艺步骤中涉及的其他地址线层(例如，第二地址线层)的材料均可以选自上述材料。

再利用沉积工艺或生长工艺在第一地址线层411上形成相变堆叠层410。

沿图6A所示的第二方向，对第一地址线层411和相变堆叠层410进行刻蚀。具体地，可以在相变存储堆叠层410上形成掩膜，通过曝光、显影对掩膜进行图案化。基于图案化的硬掩膜对所述相变存储堆叠层410和第一地址线层411进行刻蚀。得到如图6B所示的多个相变存储堆叠条410a和多个第一地址线411a。刻蚀方式包括但不限于干法刻蚀和湿法刻蚀。

再利用沉积工艺或生长工艺在多个相变存储堆叠条410a上形成如图6C所示的第二地址线层422。

沿图6C所示的第一方向，对第二地址线层422和多个相变堆叠条410a进行刻蚀。具体地，可以在第二地址线层422上形成掩膜，通过曝光、显影对掩膜进行图案化。基于图案化的硬掩膜对所述第二地址线层422和多个相变堆叠条410a沿第一方向进行刻蚀。得到如图6D所示的多个相变存储堆叠体410b和至少一个第二地址线422a。刻蚀方式包括但不限于干法刻蚀和湿法刻蚀。

第一地址线411a可作为字线或位线，第二地址线422a也可作为字线或位线。在一些实施例中，第一地址线411a可为位线，第二地址线422a可为字线。

在一些实施例中，如图6A所示，所述在所述第一地址线材料层411上形成相变堆叠层410包括：

在所述第一地址线材料层410上形成依次堆叠的第一下电极层401、第一双向阈值开关层402、第一中间电极层403、所述第一相变材料层404以及第一上电极层405。

相变存储堆叠层410可以包括堆叠的第一相变材料层404、第一双向阈值开关层402和多个电极材料层。具体地，如图6A所示，例如包括依次堆叠的第一下电极层401、第一双向阈值开关层402、第一中间电极层403、第一相变材料层404和第一上电极层405。这里，第一上电极层405、第一下电极层401以及第一中间电极层403的每一层均可以包括导电材料，所述导电材料包括但不限于W、Co、Cu、Al、碳、多晶硅、掺杂硅、硅化物或其任何组合。在一些实施例中，双向阈值开关层402和相变材料层404的位置可以互换。

在一些实施例中，第一上电极层405、第一下电极层401以及第一中间电极层403的每一层包括碳，例如无定形碳(a-c)、碳纳米管或石墨烯。第一双向阈值开关层402的材料可以包括硫系材料，例如ZnxTey、GexTey、NbxOy或SixAsyTez等。第一相变材料层404的相变材料为第一相变材料，第一相变材料包括：第一元素和第二元素；其中，所述第一相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素。所述第一相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。第一相变材料层在加工工艺(例如，刻蚀工艺、清洗工艺)后形成相变存储堆叠体410b中的第二相变材料层404a，第三相变材料层404b中的第一元素的组分为预设组分。相变存储堆叠体410b中的第一元素的组分为预设组分，即有预设性能。

在一些实施例中，预设组分可以是第二元素的组分；在一些实施例中，预设组分可以是相变材料目标性能下第一元素的组分。

相变存储堆叠层410和刻蚀后形成的相变存储堆叠体410b的结构、配置和材料不限于此，可以包括任何适当结构、配置和材料。

图7为相变存储单元阵列的一个示例，其包括多个个相变存储单元500，每个相变存储单元的上方为第一导电线501，下方为第二导电线509。其中每个相变存储单元500包括：上电极502、相变材料504，和位于相变材料504上下两侧的第一导电层503和第二导电层505，中间电极506、双向阈值开关507以及下电极508。相变材料504的左右侧壁还包括衬垫层510、第一介质层511以及侧墙层512。

第一导电线501的材料和第二导电线509的材料可以包括导电材料，导电材料包括但不限于钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)、铝(Al)、多晶硅、掺杂硅、硅化物或其任何组合。

第一导电线501可以作为位线或字线；第二导电线509也可以作为字线或位线。例如，当第一导电线501作为位线时，第二导电线509可以作为字线。相变存储单元用于基于所述第一导电线和所述第二导电线之间的电压差发生相变而存储数据。

上电极502、中间电极506以及下电极508的材料包括含碳材料，所述含碳材料包括但不限于无定形碳(a-c)、碳纳米管或石墨烯等等。

第一导电层503和第二导电层505可用于提高相变材料504与上电极502及中间电极506的接触灵敏度。在一些实施例中，也可以不使用第一导电层503和第二导电层505。

双向阈值开关507的材料可以包括硫系材料，例如可以为Ge-Se、Si-Te、C-Te、B-Te、Ge-Te、Al-Te、Ge-Sb-Te、Ge-Sb、Bi-Te、As-Te、Sn-Te、Ge-Te-Pb或Ge-Se-Te等等。

可以采用本公开实施例所述的相变材料加工后得到相变材料504的材料，本公开实施例所述的相变材包括第一元素和第二元素；其中，所述相变材料应用于制造相变存储器的过程中所述第一元素的损耗大于所述第二元素；所述相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；其中，所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充损耗的所述第一元素。

每个相变存储单元500之间还包括第一间隙填充层(Gap Fill)514，相变存储单元阵列的侧壁还包括第二间隙填充层513和第二介质层515。其中，间隙填充层所用的间隙填充材料的示例包括但不限于砷化镓(GaAs)、砷化镓铟(InGaAs)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、亚碲酸镉(CdTe)、硫化锌(ZnS)、硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)和基于钴的化合物以及它们的任何组合。

第一间隙填充层514和第二间隙填充层513的材质可以相同也可以不同。

第二介质层515的材料可以为氧化物。其中，第一介质层511的材料可以与第二介质层相同515也可以不同。

在一些实施例中，相变材料504和双向阈值开关507的位置可以互换。

相变存储单元阵列和外围电路可以构成相变存储器。

本公开实施例还提供一种相变存储器，包括：

第一地址线层；其中，所述第一地址线层包括多条相互平行的第一地址线；

第二地址线层；其中，所述第二地址线层包括多条相互平行的第二地址线；

位于所述第一地址线层和所述第二地址线层之间的相变堆叠层；所述相变堆叠层包含相变材料层；其中，所述相变材料层在形成时的相变材料中的第一元素的组分大于预设组分；所述第一元素大于所述预设组分的部分用于补充在形成所述相变堆叠层的过程中损耗的所述第一元素。

在一些实施例中，所述相变堆叠层，包括：

依次堆叠的下电极层、双向阈值开关层、中间电极层、所述相变材料层以及上电极层。

本公开实施例提出的上述相变材料相对于改善前的相变材料具有更好的热稳定性、更快的SET速度、更低的RESET电流和高耐力的周期。

应理解，说明书通篇中提到的“一些实施例”、“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本公开的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本公开实施例的实施过程构成任何限定。上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本公开的实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。