CN101267016A - 相变存储器单元器件的结构的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于在圆形的下电极上方，通过一定厚度同心圆柱的介质层，实现加热相变材料的热能向下输运的有效控制，一方面很好地保护了构成PCRAM芯片下面的CMOS电路不受较大热能与载流子的冲击，另一方面在减小相变材料与底电极直接接触面积的同时也获得了很好的保温效果，同时，介质层与很小的相变区域可以把下电极封盖住，很容易实现reset过程，同时上电极与相变材料的界面也可用相同同形圆柱的设计方法，这样一来，上下结构与电极对称，使电场均匀，导致的热场均匀，有利于低电压、低功耗与高速存储的实现，且考虑与CMOS工艺的集成。

Description

相变存储器单元器件的结构的改进

技术领域

本发明涉及一种相变存储器单元的结构的改进，通过改进后的结构，可提高器件的加热效率，降低器件的功耗。属于微纳电子学技术领域。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器的读、写、擦操作就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：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号可以使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。

目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，主要集中体现在①降低相应的操作电流，即降低功耗；②器件结构设计和存储机理研究等；③高密度器件阵列的制造工艺研究，包括如何实现器件单元的纳米尺度化问题、高密度器件芯片的工艺问题、器件单元的失效问题等几方面。其中器件的功耗降低是非常关键和重要的，因为相变存储器器件单元的相变过程最终要靠金属互补氧化物半导体管的驱动来实现的，为了实现与高密度存储芯片中的CMOS管功率相匹配，必需降低器件的功耗。目前，降低器件功耗的方法有：减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。但是所有这些方法在加热效率上都不够高，不能很好满足目前器件的要求。根据文献报道，在相变存储器中85％的热量被耗散，只有约15％的热量被用于相变，这是欲开发低功耗、高速的相变存储器一个制约因素。文献报道不同结构的PCRAM有不同的RESET电流，RESET电流与结构中热量的利用率有关系，热量的利用率高的结构，RESET电流小。从能量平衡的角度设计与优化新型器件结构是可行的方案之一，进一步提高热量用于相变的效率，降低器件功耗，这正是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变存储器单元器件的核心结构，以有效降低器件的功耗。所述的相变存储器的结构如图1所示，它是由相变材料4、相变材料中填加材料3、绝缘材料7、加热电极材料2、引出电极材料5、6构成。电极材料1，如W，在电极材料上添加加热电极2，如TiN。加热电极2上为一层相变材料薄膜4，在相变材料薄膜中填加入圆柱形绝热材料或者加热材料3，热导系数0.2-2.2K(W/mgk)，电阻率大于10⁴，如SiO₂，非晶碳。填加的材料和电极构成一个环型。填加材料可以只和下电极接触，使得下电极接触面形成一个环状；也可以在相变材料上部添加同心圆柱介质材料，与上、下电极构成的同心圆柱；上、下电极构成的同心圆柱，使上、下结构与电极对称，使电场均匀，导致的热场均匀。同心圆柱的介质材料可以是SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、Hf₂O、Ta₂O₅或ZrO₂等介质材料，也可是高阻的非晶Si，C，GeSi等材料。上、下电极的尺寸相同，上、下同心圆柱介质的尺寸也相同，电脉冲是纳秒级的高频信号，电流在高频下的趋肤效应，会出现中间电场弱，边上电场强的情况，这样有利于存储单元在边上的能量集中，很好地实现set与reset过程，达到低功耗的目的。上、下同心圆柱介质材料的半径与厚度主要由可逆相变的热平衡决定的。上、下电极尺寸可以不相同，上、下圆柱介质的半径可以不一样，甚至上同心圆柱介质半径可以是0；取决于热平衡的计算。下电极与同心圆柱介质的尺寸非常重要，同心圆柱介质层，通过计算，实现尺寸的优化，在保温的同时，与上电极与介质层配合散热的同时，保护构成PCRAM芯片下面的CMOS电路不受较大热能与载流子的冲击，提高PCRAM芯片的性能可靠性；

为了提高加热效率，要求电流产生的焦耳热都尽可能的集中在相变材料区域4。在这种结构中，填加的材料3因为热导率低从而起到了阻止热量散失的作用。如果材料具有电导率较低的属性，那么所填加的材料还能起到进一步加热相变材料的作用。

要降低器件功耗，一个有效的办法就是减小相变区域。填加了低热导率和低电导率材料3后，相变区域4被压缩到环型区域。相变材料中通过电流，由于填加材料电导率低，大部分电流流向环型区域4，环型区域4的电流密度很大，通过电流的焦耳加热，环型区域4最先达到熔点。继续通过电流，使得整个环型区域4的相变材料达到熔融状态。与要把原先包含填加材料区域的相变材料熔化所需要的外界能量相比，只要熔化环型区域4所需要的外界能量要小得多。

填加材料的大小形状还要考虑到热平衡的问题。在器件擦过程中，要使熔融态相变材料转变成非晶态，需要迅速降温，因此环型区域4大小的设计不能太小。因为如果环型区域4太小，处于熔融态的相变材料不能有效的通过散热进行降温，从而不能产生相变材料的非晶态，导致reset过程失败。同样，在set过程中，降温过程要求比较缓慢，如果环型区域4太大的话，相变区域的温度下降过快，导致set过程失败，因此要考虑保温和散热之间达到最佳匹配。

加热电极2的大小和填加材料大小之间有最佳匹配的关系。对于不同的工艺标准，加热电极2的变化，如260nm，100nm，50nm，填加材料的厚度和宽度都有一个最佳的匹配值，使得相变材料在最低的功耗下达到熔融状态，同时在擦和写过程中的散热和保温要求能够得到满足，因而使得器件功耗最小，其优化规律通过热传导方程和电场方程的耦合求解得到。

要降低器件功耗的另一个参考标准是器件中的电场分布是否均匀。只有保持了器件中电场均匀，使得环型区域里的相变材料的相变具有一致性，才能有效降低器件功耗。从器件的横向电势分布，图5，可以看出所提供的器件的电场均匀性是满足要求的。

对于某个条件下最有结构尺寸，在大规模集成电路中，随着集成电路密度的增加，该发明单元结构尺寸可以等比缩小。

在材料的选取上，要考虑到材料的电导率，热导率，热容，介电常数等材料性质。的填加材料3可以是SiO2，ZrO2，TiO2，、Y₂O₃、Hf₂O、Ta₂O₅、非晶Si，C等低电导率低热导率的材料。相变材料4可是GeSbTe，SiSbTe，SiSe，，SiSb等材料。

综上所述，本发明针对相变存储器存储单元，相变材料非晶到多晶(set)的保温与多晶到非晶(reset)快速散热的存储原理和特点，从热平衡的角度，通过选择与优化电极材料、相变材料与介质材料，同时考虑与CMOS工艺的集成，从实现低功耗、高速的角度，设计提出了新的存储单元结构，与传统的存储单元结构相比，新的结构的特点是在圆形的底电极上方，通过一定厚度同心圆柱的介质层，实现加热相变材料的热能向下输运的有效控制，一方面很好地保护了构成PCRAM芯片下面的CMOS电路不受较大热能与载流子的冲击，另一方面在减小相变材料与底电极直接接触面积的同时也得到了很好的保温效果，同时，介质层与很小的相变区域可以把下电极封盖住，很容易实现reset过程，同时上电极与相变材料的界面也可用相同同形圆柱的设计方法，这样一来，上下结构与电极对称，使电场均匀，导致的热场均匀，有利于低电压压、低功耗与高速存储的实现。

附图说明

图1实施例1所述的器件纵向截面结构示意图

图2器件的擦电流和器件电阻的关系

图3变化填加材料横向尺寸对擦电流的影响

图4变化填加材料纵向尺寸对擦电流的影响

图5器件横向截面的电势分布图

图6实施例2所述的器件纵向截面结构示意图

具体实施方式

下面通过实施例的介绍以进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，所述的尺寸仅示意，本发明决非局限于实施例。

实施例1：

器件截面结构如图1。电极材料1为W，加热电极2材料为TiN，相变材料4为GST，填加材料3为SiO₂，上接触电极5材料为TiN，上电极6材料为W，周围的绝缘材料7为SiO₂。填加材料的直径为120nm，厚60nm。制备工艺如下：

1.在衬底(包括MOS的杂质扩散区，源漏区，电极引线，通孔，或者PN二极管，双极晶体管等)制备下电极通孔，其尺寸根据工艺条件调整，其通孔尺寸可以大于或者小于相变材料孔的尺寸，接着往孔里沉积下电极，比如W，TiN，硅化物等导电介质，形成金属栓塞。

2.沉积绝缘介质包括SiO₂，在电极上区域刻蚀形成圆柱形SiO₂，直径为120nm，高60nm

3.溅射沉积相变材料，厚度为大于150～200nm，然后用化学机械抛光(CMP)方法抛光相变材料，减薄相变材料到100nm厚度。然后刻蚀相变材料形成同心圆柱。

4.沉积合适SiO₂，刻蚀形成圆柱形孔，沉积电极材料TiN或W，化学机械抛光(CMP)电极材料，形成金属塞，或者光刻刻蚀形成金属塞。

本实施例所制作的器件的擦电流与器件电阻的关系，填加材料横向和纵向尺寸多擦电流的影响以及器件横向截面的电势分布图如图2-5所示。

实施例2

器件截面结构如图6。在图6示例中，1为下电极W，2为BEC，加热电极材料3为填加的SiO₂绝热材料，4为GST等相变材料，5为TEC上接触电极材料，6为上电极W，7为SiO₂。与实施例1比，该结构工艺复杂，但是热效率更高。

制备工艺如下：

1.在衬底(包括MOS的杂质扩散区，源漏区，电极引线，通孔，或者PN二极管，双极晶体管等)制备下电极通孔，其尺寸根据工艺条件调整，其通孔尺寸可以大于或者小于相变材料孔的尺寸，接着往孔里沉积下电极，比如W、TiN或硅化物等导电介质，形成金属栓塞。

2.沉积绝缘介质包括SiO₂，在电极上区域刻蚀形成圆柱形SiO₂，直径为120nm，高60nm

3.溅射沉积相变材料，厚度为大于150～200nm，然后化学机械抛光相变材料，减薄相变材料到100nm厚度。然后刻蚀相变材料形成同心圆柱。

4.溅射沉积相变材料，厚度为大于100nm，沉积化学机械抛光中止层，刻蚀形成120nm直径的孔，等离子化学气相沉积或者原子层沉积技术沉积填充材料(绝缘材料或者高阻材料)，化学机械抛光填充材料，形成圆柱形绝缘材料

5.刻蚀两层相变材料，形成需要的结构。

6.沉积合适SiO₂，刻蚀形成圆柱形孔，沉积电极材料TiN，W，化学机械抛光电极材料，形成金属塞，或者光刻刻蚀形成金属塞。

其余雷同于实施例1。

Claims (9)

1、一种相变存储器单元器件结构的改进，所述的器件由相变材料、绝缘材料、加热电极材料、上、下电极材料组成，其特征在于在电极材料上添加加热电极，加热电极为一层相变材料薄膜，在相变材料薄膜中填加入圆柱形绝热材料或加热材料，填加入的材料和电极构成一个环形。

2、按权利要求1所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于填加入圆柱形绝热材料或加热材料的材料只和下电极接触，与下电极接触面形成一个环状；或与上、下电极构成同心圆柱；相变区域被压缩到环形区域。

3、按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于填加入的圆柱形绝热材料或加热材料的热导系数为0.2-2.2k(W/mgk)、电阻率大于10⁴。

4、按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于填加入的圆柱形绝热材料或加热材料为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅或ZrO₂介质材料，或为非晶的Si、C或GeSi。

5、按权利要求3所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于上、下电极构成的同心圆柱，上、下结构与电极对称，使电场均匀，导致热场均匀。

6、按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于所述的上、下电极的尺寸相同或不相同；所述的上、下同心圆柱介质的尺寸相同或不相同，空心圆柱介质材料的半径和厚度依赖于热平衡的计算的改进。

7、按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于空心圆柱介质层与相变区域将下电极封盖住，实现多晶导非晶快速散热过程。

8、按权利要求2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于被压缩到环形区域相变区的设计要考虑保温和散热之间达到最佳匹配；相变区的相变材料为GeSbTe、SiSbTe、SiGe或SiSb。

9、按权利要求1所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于加热电极和填加材料大小的最佳匹配通过热传导方程和电场方程的耦合求解得到。

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