CN101159313A

CN101159313A - 一种硫属相变存储器cram存储元

Info

Publication number: CN101159313A
Application number: CNA200710168408XA
Authority: CN
Inventors: 王嘉赋; 向宏酉; 李娟�
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: CN101159313B

Abstract

本发明涉及一种硫属相变存储器CRAM存储元，其材料层从下到上依次为：下电极；第一相变层；加热层；第二相变层和上电极；加热层尺寸小于相变层，第一相变层、加热层、第二相变层形成“工”形结构。本发明相比目前的硫属相变存储器CRAM的结构，不同之处在于合理利用了GST相变材料的隔热功能，使用了第一GST相变层+加热层+第二相变层的“工”形结构，充分利用了加热层的两端同时加热的功能以及利用GST相变材料的自身加热隔热功能提高加热效率并简化制造工艺，不仅在理论上给出了其优良性能的说明，而且通过模拟计算热场分布给出了较好的证明。

Description

一种硫属相变存储器CRAM存储元

技术领域

本发明属于存储器CRAM存储元的结构，更具体而言，是一种硫属相变存储器CRAM存储元。

背景技术

硫属相变存储器CRAM(Chalcogenide-based phase-change RAM)，是以硫属化合物为存储介质，通入电流产生焦耳热使硫属化合物发生可逆性结构相变，利用其晶态和非晶态之间高达四个数量级的阻抗差来实现二进制信息存储的半导体随机存取存储器。研究比较成熟的可用于CRAM的硫属化合物多为Ge₂Sb₂Te₅，简称GST。当外部脉冲电路给以短时间、高脉冲电流时，GST薄膜达到熔点，随后急剧冷却，GST变成非晶态，呈现出高阻抗值，此时记录信息“0”(或“1”)；当给以长时间、低脉冲电流时，GST薄膜处于玻璃化温度和熔化温度之间，并保持一段时间，GST变成晶态，呈现出低阻抗值，此时记录信息“1”(或“0”)；当给薄膜通入较低的读电流，此时GST温度在玻璃化温度以下，不足以改变GST的薄膜的结构相，通过探测GST存储元的阻抗值大小来读出二进制信息“0”或“1”。温度随时间变化图(Ovonyx公司技术资料)如图1所示。

硫属相变存储器CRAM具有非易失性、可多态存储、读写信息速度快、使用寿命长、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存储器等特点。由于其存储机理与材料带电粒子的状态无关，使其具有抗电子干扰、抗强辐射的优点，能满足航天和国防需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。

目前，Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi、IBM、Philips、British Aerospace等大公司在开展硫属相变存储器CRAM存储器的研究，并于2004年初采用0.18μm工艺制备出64M的存储器测试样片，以及利用传统工艺技术和U形槽结构构建出2D结构，美国空军也正斥巨资研究CRAM以装备其天基雷达，2006年初Samsung公司采用0.12μm工艺制作了256M测试样片。国内主要是中科院上海微系统所及少数重点高校在进行CRAM的深入研究，而且CRAM芯片关键技术已列入863计划“十一五”规划。

硫属相变存储器CRAM存储元的结构也得到国内外越来越多的关注。其基本结构是由上下电极及加热层对硫属相变材料层进行加热操作而构成的简单拓扑的薄膜结构的二端结构，见图2。此结构主要利用较小尺寸的加热层形成较大的电流密度，对GST层进行局部加热，以实现低功率下的结构相转换，达到二进制信息存储的目的。由于加热层受到材料特性和工艺条件即最小线宽的制约，到目前为止研究人员对存储元结构进行了较大的改进，以便在相同的工艺条件下，尽可能地增大电流密度以减小电流，优化器件性能。如Samsung公司的底部接触和边缘接触法、Bolivar等人的相变线存储元结构、Carnegie Mellon大学的“I”形结构等都有了较多的理论探讨。

这些新的结构已经使存储元的性能得到了客观的改善，但依然存在着可以进一步提升的空间，其主要存在于：尽管已经制作出了硫属相变存储器CRAM测试样片，但是在实际测试时电流依然偏高，功率消耗大，难以实现产品化；在结构设计时，基本没有将作为字线选择开关的n-MOS晶体管作为重要因素加以考察，而且存储元制作工艺相对较复杂；没有考虑加热之后的温度分布，是否会超过CMOS的温度承受能力；没有合理利用GST除了相变特性之外的隔热性能；从目前的热计算模拟来看，通常使用的加热层材料W、TiN等无法在1mA左右的电流脉冲下使GST发生能够识别的结构相变。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电阻率较高且尺寸小于相变材料尺寸的加热材料置于两层GST之间的“工”形存储元结构的硫属相变存储器CRAM存储元，一方面实现双面加热合理利用加热层的加热功能提高加热效率；另一方面除了利用GST的可逆性结构相变存储二进制信息之外还合理利用其热导率较小的特性起到隔热作用，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明的特点是：其材料层从下到上依次为：下电极(W、Ti或TiN)；第一相变层(GST)；加热层；第二相变层(GST)和上电极(A1)。

上述加热层尺寸小于相变层，第一相变层(GST)、加热层、第二相变层(GST)形成“工”形结构。

上述下电极直接连接n-MOS晶体管的漏极D，即n型层，其中n-MOS晶体管的源极S通过电极直接接地，栅极接存储器的字线，或先接栅极电极，栅极电极再接字线。

上述在制造存储元的不同材料层结构过程中，组成存储元的材料之外的绝缘材料薄膜是同一物质，或在不同步骤中使用不同绝缘物质。

上述相变层的相变材料为硫属化合物Ge₂Sb₂Te₅，或能用于实现相变存储的其它硫属化合物。

上述两层相变材料之间的加热层材料为非晶碳材料，或满足于实现相变存储的其它加热材料。

上述上电极直接用作存储器位线，或将上电极用作接触电极，在上电极之上另外接位线。

上述加热层和相变层的尺寸之比为1∶3，第一相变层和第二相变层的横向尺寸相同。

本发明相比目前的硫属相变存储器CRAM的结构，不同之处在于合理利用了GST相变材料的隔热功能，使用了第一GST相变层+加热层+第二相变层的“工”形结构，并且不仅在理论上给出了其优良性能的说明，而且通过模拟计算热场分布给出了较好的证明。在热分析时，本发明通过热传导方程计算存储元的温度分布，首次采用了热辐射散热来分析上下边界的温度条件，并首次明确提出了在结构设计时考察存储元的热扩散与CMOS的温度承受能力关系的概念。

附图说明

图1为现有相变层温度随时间变化图。

图2为现有存储元结构示意图。

图3为本发明存储元连接关系示意图。

图4为本发明“工”形存储元结构示意图。

图5为本发明GST在t_p时刻的温度变化图

图6为本发明W电极底层的温度变化图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明使用n-MOS场效应管用作门器件来连接字线Word Line(见图3)，将n-MOS管的源极S接地，栅极G接字线，在漏极D上直接形成CRAM存储元，存储元的上电极直接存储器位线Bit Line。这样，当栅极的电压V_G大于n-MOS的阈值电压V_T时，存储器选中此n-MOS管连接的存储元，此时晶体管形成n型导电沟道。当位线通入存储元的读写电流时，此电流便经过CRAM存储元在漏源极之间流通，并加热存储元相变材料实现信息的存储及读写。本发明在晶体管的漏极上直接接入W电极，在W电极上放置GST相变材料层，然后在其上放置横向尺寸为GST层三分之一的加热层，再在其上放置一层GST相变层，最后在顶层放置A1电极作位线电极。这样的结构，一方面可以充分利用GST的相变功能使其起到相变作用；一方面由于使加热层两端加热，极大提高加热效率，可减小写电流降低功率；另一方面由于GST的热导率较低，合理利用了GST的隔热功能，避免了n-MOS晶体管过热，提高了器件性能。

本发明利用上述设计的结构，针对晶体管漏极及其上存储元在目前广泛适用的特征尺寸条件下作出了热场分析，通过热场模拟计算，得出了此结构不仅可以满足存储器读写功能需求，而且可以保护底边n-MOS漏极处的温度不超过其能承受的温度范围，更重要的是此结构可以在光刻尺寸为120nm时减小写电流到0.6mA以下。

本发明的存储单元总体结构(图3)中，区域100为晶体管，使用常规MOS管制作工艺，在p型半导体基板101上，掺杂形成n型层102、103，具体而言即形成n-MOS管的漏极层102、源极层103，在源极层103之上直接由金属电极层105接地，在栅极绝缘膜上，设置栅极电极104并连接于字线(可为W或A1等)之上。在构成n-MOS晶体管的n型层102之上，连接贯穿绝缘膜106的硫属相变存储器CRAM存储元相变单元200。在相变单元之上是用作连接存储元与外围驱动电路的位线300，多为金属A1。

本发明相变存储元的具体结构(图4)是：相变存储元200的主电极201为埋入绝缘膜106并与n型层102直接接触的W电极(也可以是Ti、TiN电极等)。在绝缘膜106之上预先形成绝缘膜205，图案化绝缘膜，设置开口，露出W电极顶部，然后形成第一GST相变层202。按照同样的方法步骤，依次形成加热层203、第二GST相变层204。最后使204与位线300直接接触。

本发明加热层203的要求较高。一是电阻率要足够大，以便能在较短的时间内在较小的写电流下尽快地加热相变材料使其温度满足相变要求，达到减小存储器消耗功率和缩短读写时间的目的，就目前的研究和计算模拟来看，常规的加热材料W或TiN等的加热效果不够理想，可以采用电阻率为10^-2Ω·m左右的非晶碳薄膜材料作为加热材料；一是尺寸尽可能做到最小，最小为光刻尺寸，原因是由于电极的电阻率较大，通过减小加热层的尺寸来减小整个存储元中固定电阻(在电流作用下不发生相变的材料的电阻)所占比例，有利于扩大在相变前后的阻抗值之差，便于存储器识别所存储的“0”“1”信息，目前研究比较成熟的制造工艺特征尺寸为F＝0.18μm，也有公司在CRAM研究中采用0.12μm特征尺寸；三是加热层的尺寸要小于GST相变材料层，这样可以增大电流密度集中加热，提高加热效率减小加热电流，目前这一点已经得到了CRAM研究人员的普遍认可。

本发明形成的第一GST相变层+加热层+第二GST相变层的“工”形结构，其优点除了满足上述加热器的三个特点之外，相比其它结构，最能体现本发明特点的理由为：一方面，充分利用了GST材料的功能，除使用了其作为相变材料的作用，还根据热导率低的特点利用了其隔热作用，其功能主要体现为阻止热量太快扩散以便集中加热提高加热效率，以及减小其下n-MOS晶体管的温度，还能简化工艺流程不再使用额外隔热层；另一方面，本发明使用加热材料两端接触GST相变层，实现了两端加热，因为上下两层GST在电流加热的条件下会同时发生相变，充分利用了加热器的热能，相变材料内的热传导速度及相变速度相比之下提高了一倍，减小了存储器消耗的功率，也提高了数据写入速率。

本发明针对存储元结构(图4)结合存储元上面的Al位线以及下面的n型层Si和p型层硅做了热场计算分析，在模拟过程中，主要是针对从结晶态到非晶态的大电流加热情况，使用差分法进行温度计算。

其中热传导方程为：

\frac{1}{a_{i}} \frac{&PartialD; T_{i}}{&PartialD; t} - \frac{{&PartialD;}^{2} T_{i}}{&PartialD; x^{2}} = f (i, t), i = 1,2, . . . . . ., 7 .

f (i, t) = \{\begin{matrix} \frac{ρ_{ei} I^{2}}{k_{i} S_{i}^{2}}, & 0 \leq t \leq t_{p} \\ 0, & t > t_{p} \end{matrix}

各层材料之间的边界条件为：

S_{i} K_{i} \frac{&PartialD; T_{i}}{&PartialD; x} | x = x_{i} = S_{i + 1} k_{i + 1} \frac{&PartialD; T_{i + 1}}{&PartialD; x} | x = x_{i},

T_{i} |_{x = x_{i}} = T_{i + 1} |_{x = x_{i}}, i = 1, . . . . . ., 6 .

在考虑最上层和最下层的边界条件时，为了更接近真实情况，考虑了存储元与外界的温度辐射散热问题，辐射散热公式为：

最终根据相变前后存储元电阻值(包括了电流通过的位线电阻值和n型层硅的电阻值)之差至少大于两个数量级来确定所发生的相变是否满足存储器存储和识别信息的需要。

图5是计算模拟的在加热脉冲结束时的GST层中相变点的温度分布。可以看出其温度分布较好地符合图2中复位(reset)时的温度变化曲线，其中632℃即GST的熔化温度Tm。

图6是对n型层硅与W电极之间的点的温度模拟图。从中看出，W电极底层的最高温度低于43℃，低于CMOS能承受的85℃，不会由于加热对n-MOS晶体管造成影响。

本发明加热层和相变层的尺寸之比不限定在1∶3，而且第一相变层和第二相变层的横向尺寸不限定相同；各层材料厚度不做具体限制，只要存储元结构能符合硫属相变存储器CRAM的存储需求即可；在用热传导公式计算存储元热场分布时，存储元结构上下边界条件采用热辐射散热，并将无限远处视为25℃的黑体；是以用作字线选择存储元的n-MOS晶体管为例作为结构设计的一部分的，但不局限于n-MOS晶体管，同样可以用p-MOS晶体管用作字线选择存储元；本说明书在图示说明过程中使用平面图示，但是不局限于平面图，而是实际制作过程中与之对应的三维立体图。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种硫属相变存储器CRAM存储元、其材料层从下至上依次为：下电极、第一相变层、加热层、第二相变层和上电极。

2.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：加热层尺寸小于相变层，第一相变层、加热层、第二相变层形成“工”形结构。

3.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：下电极直接连接一个n-MOS晶体管的漏极D，其中n-MOS晶体管的源极S通过电极直接接地，栅极接存储器的字线，或先接栅极电极，栅极电极再接字线。

4.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：在制造存储元的不同材料层结构过程中，组成存储元的材料之外还有一层绝缘材料薄膜，绝缘材料薄膜是同一物质，或在不同步骤中使用不同绝缘物质。

5.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：相变层的相变材料为硫属化合物Ge₂Sb₂Te₅，或能用于实现相变存储的其它硫属化合物。

6.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：两层相变材料之间的加热层材料为非晶碳材料，或满足于实现相变存储的其它加热材料。

7.如权利要求1所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：上电极直接用作存储器位线，或将上电极用作接触电极，在上电极之上另外接位线。

8.如权利要求2所述的硫属相变存储器CRAM存储元、其特征在于：加热层和相变层的尺寸之比为1∶3，第一相变层和第二相变层的横向尺寸相同。