CN100565955C - 用于相变存储器的过渡层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层位于相变材料和电极材料之间；过渡层材料的电阻率在10^-6欧姆米和10¹⁶欧姆米之间，过渡层材料的热导率在0.01W/m·k到30W/m·k之间。过渡层的厚度＜10nm，且与相变材料或电极材料间具有黏附力。所述的单层或多层结构的过渡层可有效阻地挡相变材料和电极间的相互扩散，提升电极的加热效率，同时减少了向电极和氧化物的扩散的热量，使更多的热量被用在相变材料加热上。不仅提高了热量的利用率，降低了功耗，而且增加了相变存储器高、低阻间的差异；将相变材料中的最高温度区域向加热电极移动，有效将相变材料的熔化控制在电极周围，提升了器件的可靠性。

Description

用于相变存储器的过渡层

技术领域

本发明涉及一种用于相变存储器中的过渡层，属于微电子中的相变存储器领域。

背景技术

相变存储器(PCM)是目前新一代非易失性存储器研究的热点，具有广阔的市场前景，它集高速、高密度、结构简单、成本低廉、抗辐照、非易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代存储器最有力的竞争者，它将有机会替代目前广泛使用的闪存存储器，从而在电子存储器领域占据重要一席。

PCM的原理是基于电脉冲对相变材料的加热而实现的高、低阻之间的可逆变化，当相变材料被加热到熔点以下，结晶温度以上的时候，相变材料就转变成低阻的多晶态，设定为逻辑“1”；当相变材料被加热到熔点以上并快速冷却，相变材料就转变为高阻的非晶态，可以设定为逻辑“0”；而读取的时候则使用一个很小的不至于使相变材料发生任何变化的电信号读取信息。为了达到在便携式设备中应用的要求，存储器件必须具有较低的功耗、较高的存储密度，所以，如何降低PCM的编程功耗，提升PCM的可靠性已经成为PCM研发的重点。

典型的PCM器件阵列的基本结构示意图如图1所示，相变存储器存储单元制备在钨电极之上；图2所示为传统的相变存储单元结构示意图，从图可以看到，在PCM中，作为存储介质的相变材料被夹在上下两电极之间，而电极通常情况下为金属钨。为了降低PCM器件的功耗，对传统器件的结构进行改进、或者缩小存储器的加热电极大小都是有效的办法之一，当然对电极材料的改进也是一种常用的手段。通过引入较高电阻率的加热电极能够增加PCM器件的加热电极在同一电流下产生的焦耳热，也就提高了加热发热效率，即为了达到同样的温度(比如熔点)，改进电极后的器件的所需的编程电流就会较低。

另一方面，随着PCM的进一步深入的研发，提升器件的可靠性也成了重要的研究内容。目前，在PCM器件的测试中往往发现在reset(PCM从低阻到高阻的编程)过程中往往会得到低电阻的状态，即原本希望得到高阻态的reset操作后得到的却是较低的电阻态，而这种较低的阻态是不能接受的，因为PCM的信息的识别就是基于器件的电阻值大小，而这种较低的阻态会造成系统在识辨高低阻时候产生紊乱，从而影响存储器件的操作的可靠性。造成上述这种不成功的reset的主要原因在于在常规的PCM器件中采用的是高热导率的金属电极，由于金属电极具有较高的热导率，在编程过程中就非常容易将产生的热量扩散出去，尽管在相变材料和加热电极之间界面上的电流密度是最高的，相应产生的热量和与之对应的温度都应该是最高的，但是此处的热量扩散同样是最快的，所以在reset过程中，相变材料中的最高温度点并不是在相变材料与加热电极的界面附近，而是在相变材料的中心区域，这可以从附图3中对常规器件结构的热学模拟结果中清楚看出。这样的后果导致了在reset过程中相变材料靠近金属加热电极附近的区域无法达到熔化温度，当然也就无法实现非晶化，故在reset过后就有一定厚度的多晶低阻态相变材料包覆在电极的表面，而这层低阻的相变材料的形成使器件中存在与非晶高阻电阻并联的低电阻，并联的结果使器件整体呈现出较低的电阻(参考D.Mantegazza，D.Itelmini，A.Pirovano，and A.L.Lacaita，IEEEElectron.Dev.Lett.28，865(2007))。这种较低的电阻严重影响了器件的写、擦操作以及高低阻的判断，所以消除这种并联电阻是必须的。而为了解决这个问题，就需将相变材料中的最高温度区域向相变材料和加热电极界面移动，这样reset后包覆在电极表面的材料就是非晶的，于是，启发本申请的发明人是否可以通过引入夹在相变材料和电极之间低电导率、低热导率的过渡层来实现。高加热效率的过渡层的存在首先在相变材料和加热电极之间的界面处产生更高的温度，此外，它还阻止了热量向电极扩散的速度，这样相变材料中的最高温度就会在与加热电极界面的附近。

低热导率电极或者过渡层的引入还能够减少编程过程中热量向氧化物和外界的扩散，使更多的热量被应用到了对相变材料的编程上。对于目前常规结构的PCM器件，仅有大约1％的热量被应用到了对编程区域相变材料的加热上，其余大部都被扩散到氧化物和上、下电极中(参见S.M.Sadeghipour，L.Pileggi，and M.Asheghi，The Tenth Intersociety Conference on ITHERM，(IEEE，New York，2006)第660页)。所以通过低热导率电极或者过渡层的引入提高了热量的利用率，也就大大降低了功耗，使相变存储器更加符合低功耗的要求。

另一方面，传统的钨加热电极与GeSbTe相变材料之间的附着力非常差，如此差的粘附能力使两材料有可能在器件的多次操作过程中可能产生分离，一旦脱落将导致器件的失效，所以钨加热电极与GeSbTe相变材料之间不可靠的接触成为PCM器件实效的一个重大的隐患。从这一侧面亦说明本发明试图引入与相变材料具有良好粘附性的过渡层的构思，对于提升PCM器件的可靠性有重要意义。

综上所述，通过在PCM器件中引入低电导率、低热导率、粘附力较好的过渡薄层的构思，既能够降低相变存储器器件的功耗，消除器件中可能产生的并联电阻，又提升器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于相变存储器的加热电极与相变材料之间的过渡层，从而增加相变存储器在编程过程中的发热效率，并且减少编程过程中热量向电极或氧化物的扩散，将相变材料层在编程过程中的最高温度区域移动到相变材料与加热电极的界面附近，达到降低PCM器件的功耗、消除器件中可能产生的并联电阻、提升器件的可靠性的目的。

本发明所阐述的过渡层位于相变材料与电极之间，如图4所示，所述的过渡层可以在上电极与相变材料之间，也可以在下电极与相变材料之间，或者两者都有之，厚度为＜10nm。它有着与金属钨电极相比较低的电导率和较低的热导率，热导率范围在0.01W/m·K到30W/m·K之间，而电阻率范围在10^-6欧姆米和10¹⁶欧姆米之间：较低的电导率使得器件在编程过程中在电流脉冲的作用下具有较高的发热效率；而较低的热导率使器件中产生的热量较少扩散到电极和氧化物中。该过渡层的使用不仅提升了热量的利用率，而且使相变材料层中的最高温度区域向靠近加热电极区域移动，使靠近加热电极的相变材料在reset过程中能够达到熔点而轻易地实现非晶化，从而消除有可能产生的低阻的并联电阻。过渡层材料可以是半导体、可以是金属合金、也可以是介质材料，其结构为单层结构或多层结构；只需符合上述的低热导率、低电导率的要求，并且过渡层与相变材料之间，过渡层与电极之间均具有较好的粘附能力，自身熔点高于相变材料的熔点。通常过渡层材料的熔点在600℃以上，且过渡层的使用使电极材料与相变材料之间的原子相互扩散得到抑制。

过渡层具有绝热作用，在编程过程中电极能够阻止发热区域的热量向低温区域扩散的速度，从而达到提升热量利用率的目的。

所述的过渡层材料常用的有多晶锗薄膜、非晶硅薄膜或氧化硅薄膜。

附图说明

图1典型的相变存储器阵列示意图。

图2常规存储单元器件截面示意图。

图3对于图2所示常规的PCM器件结构的热学模拟。

图4具有两层过渡层的结构的存储单元器件截面示意图。

图5为PCM器件的在同一电流脉冲作用下热学模拟比较，(a)常规PCM器件和(b)上、下具有4nm多晶锗过渡层

图6为图5所示模拟的温度轮廓曲线以及常规PCM器件在reset状态时的温度轮廓线。其中(a)上、下各具有4nm多晶锗多渡层的PCM中相变材料中最高温度达到熔化温度时的温度轮廓线，(b)在与(a)使用同一电流下时常规PCM器件中的温度轮廓线，(c)常规的PCM中相变材料中最高温度达到熔化温度时的温度轮廓线。

图7(a)常规PCM器件和(b)上、下各具有4nm多晶锗多渡层的PCM器件的测试结果。

具体实施方式

实施例1

1.利用标准的0.18微米半导体工艺制备出电极阵列。

2.利用磁控溅射法在上述的电极阵列上依次沉积多晶锗薄膜、GeSbTe相变薄膜、多晶锗薄膜、TiN薄膜，四者的厚度分别为5nm、150nm、4nm、30nm。沉积过程中的衬底温度为350度。

3.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出存储单元。

4.沉积300nm厚的铝电极。

5.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出电极，得到的基本结构如图1所示。

6.封装、引线。

7.通过对该结构的热学模拟，发现多晶锗的应用对于提升器件性能有很大帮助，图5显示该结构在同样的电流下相变材料中的温度远远高于传统结构，说明具有多晶锗的应用使器件具有较高的发热效率。图6是不同器件的温度轮廓曲线，显示有了过渡层后的器件中相变材料的最高温度向加的热底电极移动，这归功于多晶锗相对于钨电极较低的热导率。

8.对得到的器件进行测试，测试结果表明上述器件具有更低的编程电流如图7所示，并且有着更高的非晶态电阻。

实施例2

1.利用标准的0.18微米半导体工艺制备出电极阵列。

2.利用磁控溅射法在上述的电极阵列上依次沉积非晶硅薄膜、GeSbTe相变薄膜和TiN薄膜，三者厚度分别为1.5nm、180nm和35nm。沉积过程中的沉底温度为240度。

3.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出存储单元。

4.沉积300nm厚的铝电极。

5.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出电极。

6.封装，引线。

7.测试。

实施例3

1.利用标准的0.25微米半导体工艺制备出电极阵列。

2.利用化学气相沉积法在上述的电极阵列上依次沉积氧化硅薄膜、GeSbTe相变薄膜和TiN薄膜，三者厚度分别为1nm、250nm和40nm。沉积过程中的沉底温度为室温。

3.利用电子束曝光和反应离子刻蚀法刻出存储单元。

4.沉积350nm厚的铝电极。

5.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出电极。

6.封装，引线，测试。

实施例4

1.利用标准的0.13微米半导体工艺制备出电极阵列。

2.利用磁控溅射法在上述的电极阵列上依次沉积锗、硅和碳多层薄膜，即依次沉积锗、硅、碳、锗、硅、碳，厚度分别为1nm，衬底温度为400度。

3.GeSbTe相变薄膜和TiN薄膜，三者厚度分别为100nm和30nm。沉积过程中的沉底温度为350度。

4.利用电子束曝光和反应离子刻蚀法刻出存储单元。

5.沉积200nm厚的铝电极。

6.利用光学曝光和反应离子刻蚀法刻出电极。

7.封装，引线，测试。

Claims (9)

1、一种用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层位于相变材料和电极材料之间；过渡层材料的电阻率在10^-6欧姆米和10¹⁶欧姆米之间，过渡层材料的热导率在0.01W/m·k到30W/m·k之间；且过渡层与相变材料之间，过渡层与电极之间均具有较好的粘附能力，自身熔点高于相变材料熔点。

2、按权利要求1所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层位于上电极与相变材料之间、位于下电极与相变材料之间或者在上电极和下电极与相变材料之间。

3、按权利要求1或2所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层的厚度＜10nm。

4、按权利要求1或2所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层为单层结构或多层结构。

5、按权利要求1所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层材料为半导体、金属合金或介质材料。

6、按权利要求5所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层材料为多晶锗薄膜、非晶硅薄膜或氧化硅薄膜。

7、按权利要求4所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的多层结构的过渡层由锗、硅和碳组成。

8、按权利要求1、5或6所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层材料的熔点在600℃以上。

9、按权利要求1或2所述的用于相变存储器的过渡层，其特征在于所述的过渡层使相变存储器在编程过程中相变材料中的最高温度区域从相变材料的中心区域向电极和相变材料的界面方向移动。

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