CN101661992B - 相变存储单元器件的复合电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变存储单元器件结构。其特点在于：1.相变存储单元下方有一个面积较小的加热电极和一个或多个面积较大的引流电极；2.可逆相变区域被严格控制在较小的电极周围；3.可逆相变区域外的相变材料处于结晶与稳定状态，呈现稳定和较高的电导率；4.整个相变存储单元的相变材料除电极外被高密度的SiO2等介质材料包覆。优势在于：减小相变存储单元的热扩散，提高加热效率，降低操作电流，减小功耗；防止原子扩散，保证相变材料成分稳定；提高可逆相变区域材料的成核生长速率，提高存储速度，提高其与小电极接触的有效性与可重复性；解决相变材料与顶层金属粘附性差的问题；简化工艺步骤，提高工艺的可集成性。
Description
技术领域
本发明涉及相变存储器单元的复合电极结构，通过改进后的复合电极结构，可提高器件的加热效率，降低操作电流，减小功耗，提高成品率及数据保持力，增加读写次数，提高相变材料制备工艺与CMOS工艺的可集成性。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，因此三个重要问题亟待解决：1.功耗问题。根据文献报道，在相变存储过程中，85％的热量被耗散，只有约15％的热量被用于相变，这是现在相变存储器低功耗，高速度的一个制约因素。2.成品率问题。相变存储材料在操作过程中由于密封性问题，材料原子会扩散，从而造成了材料成分不稳定，影响了成品率和读写操作次数。另一方面，为了降低功耗，相变存储器件应经过退火被初始化到结晶态。在退火过程中会产生相变薄膜材料的缩水(shrink)，从而造成相变薄膜材料与顶层金属粘附性差的问题，影响了相变存储器的成品率。3.与CMOS工艺集成性。这一点直接影响到相变存储器的制备成本，与相变存储器产业的利润直接挂钩，任何有助于使相变存储单元制备集成到CMOS工艺中的努力都是业界极为渴望的。以上三点正是本发明的三个出发点。
发明内容
本发明涉及一种变存储单元器件的复合电极结构。其特点在于：1.相变存储单元的下方有一个面积较小的加热电极和一个或多个面积较大的引流大电极；2.可逆相变区域被严格控制在较小的电极周围；3.可逆相变区域外的相变材料处于结晶与稳定状态，呈现稳定和较高的电导率；4.整个相变存储单元的相变材料除电极外均被高密度的SiO2等介质材料包覆；5.可用SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、HfO2、Ta2O5、ZrO2和GaN中的任意一种作为电极与相变材料间的过渡层材料，一方面进一步减小读、写操作期间相变存储单元的热扩散，提高加热效率，降低操作电流，减小功耗；同时防止原子扩散，保证相变材料成分的稳定；而且通过优化其电极或过渡层材料，有效地提高可逆相变区域材料的成核生长速率，提高存储速度与加热效率，使脉冲信号产生的加热中心进一步接近小电极附近，提高可逆相变区域与小电极接触的有效性与可重复性；也能够彻底解决因退火而产生的相变材料与顶层金属粘附性差的问题，提高成品率及数据保持力，增加读写次数；同时可以简化工艺布骤，提高相变材料制备工艺与CMOS工艺的可集成性。
本发明所述的相变存储单元器件结构100，包括绝缘绝热材料110、相变存储单元120、小电极130(尺寸小于标准CMOS工艺的通孔尺寸)、标准电极140(即标准的CMOS工艺的通孔，以0.18um为例，其尺寸为0.26um)、大电极170(其尺寸可以是标准的CMOS工艺通孔大小的尺寸，也可比其稍大。)、电极与电极之间介质材料180、位线金属160和连接选通器件的金属150。其中绝缘绝热材料110可以是多孔的低介电常数的介质材料为SiO2；相变存储单元120包括相变薄膜材料和过渡层，相变薄膜材料可以是GeSbTe、SiSbTe、SiGe、SbTe或SiSb，过渡层材料可以是SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、HfO2、Ta2O5、ZrO2和GaN中的任意一种，或为高阻的非晶态Si、C或GeSi低导热材料；复合电极130、140、170的材料可以是W、TiN、Ta、Pt通过纳米加工实现尺寸一致的高密度阵列，在制备工艺中通过CMP(化学机械抛光)的技术来实现平坦化；电极间介质材料180可以是SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、Hf2O、Ta2O5、ZrO2等介质材料，也可是高阻的非晶Si，C，GeSi等材料；位线金属160和连接选通器件的金属150采用Cu或Al互联。
相变存储单元120下方连接由小电极130、大电极170构成的复合电极。小电极130的数量只能是一个，以确定相变发生的区域；大电极170的数量可以是一个或多个，具体则根据热平衡效应选取最优化的值。小电极130下方通过标准电极140和金属150连接至选通器件。大电极170通过位线金属160连接在一起。由于小电极130的电导率小于大电极170，故而当有一个固定电流经金属150、标准电极140、小电极130、相变存储单元120、大电极170，最后经由位线金属160返回时，小电极130的发热量将高于大电极170。通过控制小电极130与大电极170的距离、尺寸比以及大电极170的数量，可以使小电极130周围的相变材料的温度高于操作温度，大电极170周围的相变材料温度低于操作温度。这样就可以将相变发生的区域控制在小电极130周围，即区域210。
小电极130与大电极170距离越远，那么小电极周围的温度就越不会影响到大电极周围的温度。但是130与170之间的距离越远，相变存储单元的面积也就越大，将会影响到整个存储阵列的密度。所以，对于130与170之间的距离应当在互不影响和单元面积之间作一个折中的优化考虑。
假设小电极130的半径为x1，大电极170的半径为x2，大电极170的数量为n。那么在不考虑130与170互相影响及散热的前提下，作为一个简化的计算，小电极130周围的温度与大电极170周围的温度比大致为(n x2 2):x1 2。应该确保在对相变存储单元器件进行操作时，相变区域仅仅只发生在小电极130周围的210小区域中。另一方面，考虑到相变存储单元器件的其余部分都是结晶态，所以，应该确保130周围的温度大于相变材料的熔点而170周围的温度低于相变材料的熔点。根据具体的参数可以计算得出小电极130的半径和大电极170的半径及大电极的数量。考虑到应当尽力与CMOS工艺相兼容，所以大电极170的半径应当设定为标准CMOS通孔的半径或稍大，与通过调节其数量来达到控制相变区域的目的。
所述的由小电极、标准电极和大电极构成的复合电极半径和厚度主要由可逆相变的热平衡决定的，且相变发生的区域可以由复合电极之间的小电极与大电极之间的距离、尺寸比例和大电极的数量关系进行调节。
相变存储单元120的上方由绝缘绝热材料110完全覆盖。在传统的相变存储单元中，相变材料顶电极金属与相变材料直接接触。由于顶电极面积大，并且金属导热性极佳。所以大部分的热量都由顶电极散耗出去。这一方面影响了加热效率，增加了reset操作电流，增加了功耗；另一方面通过顶电极散耗出去的热量很有可能传递到邻近的相变存储单元中去，从而破坏了邻近的相变存储单元的数据。本发明所述的改进的复合电极结构则可完全避免此问题。一方面，由于相变存储单元上方由绝缘绝热材料完全覆盖，热量很少会从上方耗散掉；另一方面，与相变存储单元下方直接接触的电极，而并非金属导线，电极面积小，导热性能相应的也比导线要差，所以热量也很少会从下方耗散掉。这样就解决了散热的问题，提高了加热效率，减小了操作电流，降低了功耗。
另一方面，为了提高相变材料成核生长速率，可以在相变材料与小电极接触部分添加过渡层。过渡层材料可以是SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、HfO2、Ta2O5、ZrO2和GaN中的任意一种，或为高阻的非晶态Si、C或GeSi低导热材料。通过添加过渡层材料，可以提高成核生长速率，提高存储器速度；快速的成核生长亦能保证相变发生区域控制在小电极周围，提高稳定性，减小热扩散，降低功耗。
另外，由于相变薄膜材料在退火过程中，其体积会相应的缩小(shrink)。传统的相变存储单元，一旦发生shrink现象，相变存储单元与顶层金属的粘附性就会变差，从而影响了成品率、数据保持力和读写次数。本发明由于相变存储单元不需与顶层金属接触，所以即使发生shrink现象，也不存在与顶层金属粘附性变差的问题，彻底解决了shrink现象对成品率、数据保持力和读写次数的影响。
此外，本发明所述的结构不需制备顶层金属，从而节省了工艺步骤，减少了相变材料对CMOS工艺的污染，提高了相变材料制备工艺与CMOS工艺的可集成性。
总之，本发明提供的相变存储单元器件的复合电极结构减小相变存储单元的热扩散，提高加热效率，降低操作电流，减小功耗；防止原子扩散，保证相变材料成分稳定；提高可逆相变区域材料的成核生长速率，提高存储速度，提高其与小电极接触的有效性与可重复性；解决相变材料与顶层金属粘附性差的问题；简化工艺步骤，提高工艺的可集成性。
附图说明
图11H1L复合电极截面图；
图21HnL复合电极截面图
具体实施方式
为进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，下面通过实施例描述本发明：
实施例1
器件截面结构如图1。相变存储单元器件结构100，包括绝缘绝热材料110、相变存储单元120、小电极130、标准电极140、大电极170、电极间介质材料180、位线金属160和连接选通器件的金属150。该复合电极由一个较小的加热电极(heater)和一个较大的引流电极(leader)构成，故称为1H1L复合电极结构。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)制备标准电极140和大电极170通孔，其尺寸根据工艺条件调整，接着往孔里沉积比如W，TiN，硅化物等导电介质，形成金属栓塞。
2、在标准电极140之上制作尺寸较小的小电极130，可以采用的方法是通过沉积不同的绝缘物质，然后利用刻蚀法中选择比的不同，对不同的绝缘物质进行不同方式的刻蚀，从而制备出电极尺寸小于特征尺寸的电极。
3、溅射沉积相变材料，厚度为大于150～200nm，然后CMP相变材料，减薄相变材料到100nm厚度。然后刻蚀相变材料使其完全覆盖住所有复合电极。
4、沉积合适SiO2介质，完全覆盖相变材料。
实施例2：
器件截面结构如图2。相变存储单元器件结构100，包括绝缘绝热材料110、相变存储单元120、小电极130、标准电极140、大电极170、电极间介质材料180、位线金属160和连接选通器件的金属150。该复合电极由一个较小的加热电极(heater)和多个较大的引流电极(leader)构成，故称为1HnL复合电极结构。制备工艺与实施例1相同。
Claims (7)
1.一种相变存储单元器件的复合电极结构，其特征在于由一个截面积较小的小电极与一个或多个截面积较大的引流大电极构成的复合电极在相变存储单元下方，共同对相变存储单元进行操作，整个相变存储单元的相变材料除电极外被SiO2介质材料包覆；可逆相变区域控制在较小电极的周围，可逆相变区域外的相变材料处于结晶与稳定状态，呈现稳定电导率；
所述的小电极为小于标准CMOS工艺的通孔尺寸；
所述的大电极为标准CMOS工艺的通孔尺寸。
2.按权利要求1所述的结构，其特征在于所述的小电极的温度大于相变材料的熔点而大电极的温度低于相变材料的熔点。
3.按权利要求1所述的结构，其特征在于所述的相变存储单元包括相变薄膜材料和过渡层。
4.按权利要求3所述的结构，其特征在于所述的相变薄膜材料为GeSbTe、SiSbTe、SiGe、SbTe或SiSb。
5.按权利要求4所述的结构，其特征在于用SiO2、TiO2、ZrO2、Y2O3、HfO2、Ta2O5和GaN中的任意一种，或非晶态的Si、C或GeSi材料作为电极与相变材料间的过渡层材料。
6.按权利要求1所述的结构，其特征在于复合电极材料为W、TiN、Ta或Pt。
7.按权利要求1或3所述的结构，其特征在于相变存储单元的上方由SiO2绝缘绝热材料覆盖。
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| N.Takaura等.A GeSbTe phase-change memory cell featuring a tungsten heater electrode for low-power, highly stable, and short-read-cycle operations.《Electron Devices Meeting, 2003. IEDM "03 Technical Digest，IEEE International》.2003,37.2.1-37.2.4. * |
| 基于Sn掺杂Ge2Sb2Te5 的相变存储器器件单元存储性能;徐成等;《功能材料与器件学报》;20080630;第14卷(第3期);609-613 * |
| 徐成等.基于Sn掺杂Ge2Sb2Te5 的相变存储器器件单元存储性能.《功能材料与器件学报》.2008,第14卷(第3期),609-613. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101661992A (zh) | 2010-03-03 |
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