CN101447551A - 一种相变存储器单元的结构及其实现方法 - Google Patents

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张泽
王珂
成岩
刘攀
韩晓东
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Abstract

一种相变存储器的单元结构及实现方法，包括：衬底、层底电极、过渡层、绝热层、相变材料层、过渡层、钨电极和顶电极；其特征在于：所述的相变材料层下方的钨电极中设置了利用曝光刻蚀技术刻蚀出的中空槽，中空槽内填充有绝热材料SiO2，以减少发热部分接触面从而减少结晶区域体积；所述中空槽状钨电极的所述中空槽状钨电极的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上，当相变材料层的电流超过阈值电流后，该相变材料产生由非晶体相到晶体相的转变。钨电极采用了中空结构，从而提高了初始晶化与完全晶化状态之间的电阻差，所以两种稳定晶化状态之间可以通过不同的操作电流实现更多的中间电阻状态，提高了相变存储器的存储能力。

Description

一种相变存储器单元的结构及其实现方法
技术领域
本发明一种相变存储器单元的结构及实现方法，涉及微电子学中的纳米材料制造工艺。
背景技术
相变随机存储器(PRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显优势：体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发。PRAM还有可能制成多级存储器，并适用于极端温度环境，因其抗辐照，抗震动，不仅被应用到日常的便携式电子产品中，而且在航空航天等领域有着巨大的潜在应用前景。国际半导体联合会在2001年把PRAM预测为可以最先实现商业化的存储器之一。
目前相变存储器的研究关键问题之一是如何进一步提高存储密度。一方面是降低单元尺寸，但随着单元尺寸的减小，量子效应成为提高单位面积存储单元数量的瓶颈，另一个办法是通过操作电流或者通过多层相变材料复合膜的方式实现多重电阻态，即改变原来一个存储单元只能记录“0，1”，实现一个单元可以记录多种信号“0，1，2，3...”如Journal of The ElectrochemicalSociety，154 12 H999-H1003(2007)；在文献J.Maimon and E.Spall，“Chalcogenide-based non-volatile memory technology，”Aerospace Conference，2001，IEEE Proc.，vol.5，pp.2289-2294，March 2001.中通过操作电流使非晶相变材料逐渐晶化，虽然得到不同电阻状态，但由于其晶化状态具有不稳定性，读取电流的微弱变化就会引起晶化状态的改变，所以如何获得稳定的多重电阻态就变得极为关键。
发明内容
本发明的目的在于提出一种相变存储器单元的结构及其实现方法。其从PRAM结构改进着手，提升PRAM实现多重电阻状态的能力，从而提高PRAM器件的存储能力。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种相变存储器的单元结构，包括：衬底、沉积的底电极、过渡层、绝热层、相变材料层、过渡层、钨电极和顶电极；其特征在于：所述的相变材料层下方的钨电极中设置了利用曝光刻蚀技术刻蚀出的中空槽，中空槽内填充有绝热材料SiO2，中空结构减少了发热部分接触面从而减少了结晶区域体积。
前述的中空槽状钨电极的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上，当相变材料层的电流超过阈值电流后，该相变材料产生由非晶体相到晶体相的转变。
前述的相变材料层的电流，在不同变化时与中间电阻状态成对应关系；并通过读取上述电流进行分辨，不同的电阻状态在信息存储中分别代表不同的自然数。
前述中空槽状钨电极中的中空槽的半径为80-250nm的孔，中空槽的高度小于绝热层厚度。
前述的中空槽状钨电极为W，相变材料为硫系化合物，且各层之间接触紧密。
本发明一种相变存储器单元的实现方法，包括：
(1)在绝缘衬底上依次沉积底电极，过渡层以及绝热层，利用曝光刻蚀技术，在绝热层上挖出半径为80-250nm的孔洞；
(2)在上面沉积一层厚度不超过孔洞半径0.4倍的金属钨单质膜，然后利用化学机械抛光法进行抛光，抛光剂主要成分为SiO2颗粒；
(3)依次沉积相变材料薄膜、过渡层和顶电极以制备PRAM单元。
前述的底电极，顶电极材料为Al或Cu或Au。
本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
本发明的加热电极由于采用了中空结构，从而提高了初始晶化与完全晶化状态之间的电阻差，所以两种稳定晶化状态之间可以通过不同的操作电流实现更多的中间电阻状态，提高了相变存储器的存储能力。
附图说明
图1为相变存储器的单元结构示意图；
图2为本发明电压电流对应变化曲线图；
图3为现有技术电压电流对应变化曲线图。
具体实施方式
实施例：下面通过结合附图详细阐述相变存储器单元的制作过程，以进一步有助于对本发明的理解：
请参阅图1所示，为相变存储器的单元结构示意图；衬底为1，一般为硅衬底、2为沉积的底电极(可以采用Al，Cu，Au等)、3为过渡层(可以采用TiN)、4为绝热层(可以采用SiO2)、5为相变材料层、6为过渡层(可以采用TiN)、7为中空槽状钨电极(W)、8为顶电极(可以采用Al，Cu，Au等)。
图1所示是在绝缘衬底1上依次沉积底电极，过渡层3以及绝热层4。利用曝光刻蚀技术，在上相变材料层5上利用0.18微米互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，在绝热层上挖出半径为100-800nm的孔洞。在本实施例中孔洞的半径为130nm。
利用化学气象沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发法，或者分子束外延法在空洞中生长一层厚度不超过空洞半径0.4倍的中空钨电极，然后利用化学机械抛光法进行抛光。抛光剂主要成分为SiO2颗粒，以获得填充SiO2的中空钨电极，在孔洞中沉积厚度不超过50nm的钨，。
利用常规技术在此基础上依次沉积相变材料薄膜、抗氧化过渡层3和顶电极8以制备PRAM单元，其结构如图1所示。
本发明电流扫描模式下的电流电压曲线如图2所示。现有技术的普通实心底电极PRAM单元电流电压曲线如图3所示。
请参阅图2所示，当操作电流超过某一阈值以后，单元电阻突然减小，这符合相变存储的特征，说明超过阈值电流后相变材料发生由非晶相到晶体相的转变，其电阻明显高于如图3所示的实心底电极情况相变后电阻。
相变后继续增大电流，单元电阻将会降低如图2所示，控制加载在某一PRAM单元上的操作电流使其结晶后电阻保持在某一特定值如图2中的x1位置，这样，不同的操作电流可以获得多个中间电阻状态，并可以通过读取电流进行分辨，不同的电阻状态在信息存储中分别代表自然数“0，1，2，3...”。
此种情况电阻渐变的原因是完全结晶区域增加，不同于现有技术中同一区域部分结晶的不稳定情况，故其电阻较参考文献中提到的中间电阻稳定性强。
图2与图3均代表PRAM单元相变材料结晶后电阻，其差异的产生就是钨电极的中空结构引起的，由于在PRAM存储单元中相变材料的晶化是底电极在通电条件下发热诱发的，中空结构减少了发热部分接触面从而减少了结晶区域体积，造成了SET过程后电阻比非中空结构电阻高，继续加大电流，相变材料因为底电极加热源温度升高相变区域增大，因而电阻如图2所示开始降低，使得有更大的操作空间来通过操作电流控制PRAM单元SET后的电阻值，以实现多重电阻状态，其电阻的稳定性要强于现有技术中的电阻的稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种相变存储器的单元结构，包括：衬底、层底电极、过渡层、绝热层、相变材料层、过渡层、钨电极和顶电极；其特征在于：所述的相变材料层下方的钨电极中设置了利用曝光刻蚀技术刻蚀出的中空槽，中空槽内填充有绝热材料。
2、根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其特征在于：所述中空槽状钨电极的中空槽内填充有绝热材料SiO2，所述中空槽状钨电极的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上，当相变材料层的电流超过阈值电流后，该相变材料产生由非晶体相到晶体相的转变。
3.根据权利要求1所述的相变存储器的单元结构，其特征在于：所述相变材料层的电流，在不同变化时与中间电阻状态成对应关系；并通过读取上述电流进行分辨，不同的电阻状态在信息存储中分别代表不同的自然数。
4、根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其特征在于：中空槽状钨电极中的中空槽的半径为80-250nm的孔，中空槽的高度小于绝热层厚度。
5.根据权利要求1所述的相变存储器的单元结构，其特征在于：所述的中空槽状钨电极为W，相变材料为硫系化合物，且各层之间接触紧密。
6.一种相变存储器单元的实现方法，其特征在于包括：
(1)在绝缘衬底上依次沉积底电极，过渡层以及绝热层，利用曝光刻蚀技术，在绝热层上挖出半径为80-250nm的孔洞；
(2)在上面沉积一层厚度不超过孔洞半径0.4倍的金属钨单质膜，然后利用化学机械抛光法进行抛光，抛光剂主要成分为SiO2颗粒；
(3)依次沉积相变材料薄膜、过渡层和顶电极以制备PRAM单元。
7.根据权利要求6所述相变存储器单元的实现方法，其特征在于：所述的底电极，顶电极材料为Al或Cu或Au。
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C10 Entry into substantive examination
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