CN105742490B - 一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，所述结构至少包括：相变基体材料层和形成在所述相变基体材料层中心区域的掺杂层。通过使中心区域的掺杂层结晶温度升高，来抑制非晶态的中心区域在小电流干扰下结晶，从而提高相变存储器的数据保持力。掺杂注入区域的直径要小于加热电极的直径，中心区域的相变材料进行掺杂后结晶温度高于两侧未掺杂的相变材料，在小电流干扰时，此掺杂区域不易结晶，使相变存储器高阻态保持时间延长。而正常电操作SET时，结晶区域在相变材料层中加热电极的边缘，边缘区域结晶温度较低，因此本发明的相变材料层在中心区域掺杂后不会影响正常的电操作。

Description

一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，特别是涉及一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构。
背景技术
相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是一种新型的电阻式非易失性半导体存储器，它以硫系化合物材料为存储介质，利用加工到纳米尺寸的相变材料在晶态(材料呈低阻状态)与非晶态(材料呈高阻状态)时不同的电阻状态来实现数据存储。Ovshinsky早在20世纪60年代末就已经提出硫系化合物在晶态和非晶态间高速且可逆的转变可以用来存储信息，但是受限于当时的工艺水平，相变存储器并未进入主流市场。直至进入21世纪，集成电路工艺特征尺寸缩小至180nm以后，相变存储器凭借其高速、高密度、低功耗、高可靠性和与CMOS工艺良好的兼容性等明显优势，迎来了真正的发展契机，被国际半导体工业协会认定为最有可能取代闪存成为未来存储器市场主流产品的新型非易失性存储器。
相变存储器的工作机理是相变材料在不同的电脉冲作用下发生从晶态到非晶态的可逆转变，利用其不同状态时的电阻差异来存储数据。相变存储器的基本操作有三种：当对其施加窄而强的电脉冲时，相变区域产生大量的焦耳热使其温度升高到熔融温度，经过快速退火，晶态的长程有序结构被破坏，相变区域变化非晶态，电阻值很高，记为逻辑值“1”，该过程被称为RESET过程；当对非晶态的相变存储器施加长而强度中等的电脉冲时，产生的焦耳热使相变区域的温度上升到结晶温度以上熔融温度以下，最终使材料结晶，电阻值降低，记为逻辑“0”，该过程为SET过程；除此之外，相变存储器还有读操作，施加强度很弱的电脉冲，使材料处于结晶温度以下，达到测量相变存储器阻值的目的。
相变存储器是一种非易失性存储器，这要求它存储的数据必须能够长时间保持不变，即要求相变材料的晶态和非晶态非常稳定。但是，相变材料能够自发结晶的性质使得非晶态的数据容易丢失。而相变存储器最终要应用于电路中，即使很微小的电干扰也能够促进非晶态的结晶过程，从而加速高阻态的数据失效。提高相变存储器高阻态的数据保持力成为其商用化道路上的关键影响因素之一。而除了要抑制相变存储器在小电流下的结晶过程，相变存储器的电操作性能不能受到影响，即正常的电脉冲SET过程不能被抑制。因此，如何在不影响电脉冲SET操作的前提下提高相变存储器的数据保持力，有待我们深入研究。
针对以上要求，在充分研究了正常电流SET过程和小电流促进非晶态结晶过程之后，发现这两个过程的结晶区域不同。正常电流SET时，加热电极的边缘处电流密度很高，产生的焦耳热能量高，达到了相变材料的结晶温度，则结晶区域集中在加热电极的边缘处的相变材料层。而小电流施加在相变存储器上时，产生的焦耳热不足以在加热电极边缘处出现结晶，热量逐渐向相变材料的中心区域移动，在中心区域逐渐出现结晶区域。正常电脉冲SET操作和小电流干扰情况下结晶区域的不同，使得在不影响相变存储器正常工作的前提下能够提高它的数据保持力。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，用于解决现有技术中相变材料在微小的电干扰情况下能够自发结晶，导致非晶态的数据容易丢失的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，所述相变材料层至少包括：相变基体材料层和形成在所述相变基体材料层中心区域的掺杂层，通过使中心区域的掺杂层结晶温度升高，来抑制非晶态在中心区域结晶，从而提高相变存储器的数据保持力。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述相变材料层形成在所述相变存储器的加热电极表面。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述相变材料层的直径大于所述加热电极的直径，所述掺杂层的直径小于所述加热电极的直径。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述掺杂层自上而下贯穿所述相变基体材料层，所述掺杂层与所述加热电极直接接触。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述掺杂层与加热电极呈对称结构，具有同一对称轴。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述掺杂层中掺杂的元素为氮、碳、氧、银、铝、镁、锌、铬或者锡中的一种或多种的组合。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述相变基体材料层为硫系化合物。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述相变存储器还包括下电极、粘附层以及上电极，所述加热电极的上表面为相变材料层、下表面为下电极，所述相变材料层的上表面自下而上依次为粘附层和上电极。
作为本发明提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构的一种优选的方案，所述掺杂层通过离子注入或者通过先刻蚀后生长工艺形成在所述相变基体材料层中心区域。
如上所述，本发明的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，包括：相变基体材料层和形成在所述相变基体材料层中心区域的掺杂层，通过使中心区域的掺杂层结晶温度升高，来抑制非晶态在中心区域结晶，从而提高相变存储器的数据保持力。本发明相变存储器的相变材料层中心具有掺杂区域，在小电流干扰时，此掺杂区域不易结晶，使相变存储器高阻态保持时间增加。而正常电操作SET时，结晶区域在相变材料层中加热电极的边缘，边缘区域结晶温度较低，因此本发明的相变材料层在中心区域掺杂后不会影响正常的电操作。
附图说明
图1是现有技术的相变存储器结构示意图。
图2是现有技术中正常电脉冲SET操作之后的相变存储器结晶区域的COMSOL仿真结果。
图3是现有技术中小电流作用于相变存储器之后高阻数据失效时的结晶区域COMSOL仿真结果。
图4是本发明的相变存储器结构示意图。
图5是本发明相变存储器数据保持力和电操作性能所使用的电流源测试系统示意图。
图6是本发明的相变存储器制作工艺流程示意图。
元件标号说明
1,1A 相变材料层
11 相变基体材料层
12 掺杂层
2,2A 加热电极
3,3A 下电极
4,4A 粘附层
5,5A 上电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
现有技术中，相变存储器的结构如图1所示，所述相变存储器自下而上依次包括：下电极3A、加热电极2A、相变材料层1A、粘附层4A以及上电极5A。现有的这种相变存储器中，相变材料层各处材料成分一致，无其他掺杂，在应用于电路中时，即使很微小的电干扰也能够促进非晶态的结晶过程，从而加速高阻态的数据失效。
图2是现有技术中正常电脉冲SET操作之后的相变存储器结晶区域的COMSOL仿真结果。图中白色部分为非晶态，灰色部分为晶态，在完全非晶化的相变区域中，电脉冲SET操作后，靠近加热电极的边缘处的相变材料变成晶态，正常电脉冲SET操作产生的结晶区域靠近加热电极边缘处。
图3是现有技术中小电流作用于相变存储器之后高阻数据失效时的结晶区域COMSOL仿真结果。图中白色部分为非晶态，灰色部分为晶态，在完全非晶化的相变区域中，小电流(正常电脉冲SET值得十分之一)施加之后，相变材料的中心区域出现结晶态，相变存储器在小电流干扰下在相变材料的中心区域开始结晶。
从图2和图3可以看到，相变存储器在正常电脉冲SET操作产生的结晶区域靠近加热电极边缘处，而相变存储器在小电流干扰下，结晶区域在相变材料的中心，因此，正常电脉冲SET操作和小电流干扰情况下结晶区域的不同，鉴于此，本发明提供一种提高相变存储器数据保持力的相变层结构，在不影响正常电脉冲SET操作的情况下，抑制相变材料的非晶态在中心区域结晶。
如图4所示，本实施例提供一种提高相变存储器数据保持力的相变层结构1，所述相变材料层1至少包括：相变基体材料层11和形成在所述相变基体材料层11中心区域的掺杂层12。通过使中心区域的掺杂层12结晶温度升高，来抑制非晶态在中心区域结晶，从而延长高阻态的数据保持时间。
如图4所示，本实施例的相变存储器结构自下而上依次包括：下电极3、加热电极2、相变材料层1、粘附层4以及上电极5。其中，所述相变材料层1包括相变基体材料层11和离子注入形成在所述相变基体材料层11中心区域的掺杂层12。所述相变材料层1形成在加热电极2表面，所述相变材料层1的上表面自下而上依次为粘附层4和上电极5。所述加热电极2的下表面为下电极3。按照材料的性质，掺杂之后的相变材料层1中心区域结晶温度升高，相变存储器在中心区域结晶困难，小电流干扰下非晶态的结晶被抑制，而加热电极3边缘处的相变材料仍为未掺杂的相变基体材料层11，不影响正常的电脉冲SET操作。
进一步地，所述相变材料层1的直径大于所述加热电极2的直径，所述掺杂层12的直径小于所述加热电极2的直径。相变材料层1中心区域进行掺杂后，其结晶温度高于两侧未进行掺杂的区域，从而阻止高阻态在中心区域的结晶，提高数据保持力。
更进一步地，所述掺杂层12自上而下贯穿所述相变基体材料层11，所述掺杂层12与所述加热电极2直接接触，由所述加热电极2对所述掺杂层12加热。
作为优选的方案，所述掺杂层12与加热电极2呈对称结构，具有同一对称轴。
另外，所述相变基体材料层11需要能够在晶态和非晶态之间发生可逆相变。所述相变基体材料层11可以是为硫系化合物，例如GST体系化合物。具体地，例如可以为Ge2Sb2Te5，当然，所述相变基体材料层11还可以是其他合适的相变材料，在此不限。通过改变相变基体材料层11的成分，可以得到不同的结晶温度，使掺杂区域的结晶难易程度发生变化。
作为示例，所述掺杂层中掺杂的元素可以为氮、碳、氧、银、铝、镁、锌、铬或者锡中的一种或多种的组合，当然，也可以是其他合适的掺杂元素本实施例中，利用氮元素进行掺杂获得掺杂层12。
另外，所述掺杂层通过离子注入或者通过先刻蚀后生长等工艺形成在所述相变基体材料层中心区域。本实施例中，优选通过离子注入形成掺杂层，即生长所述相变基体材料层之后，利用聚焦离子束注入将所述掺杂元素注入在所述相变基体材料层中心区域。当然，在其他实施例中，也可以通过先刻蚀后生长的工艺形成掺杂层，过程大致为：在生长所述相变基体材料层之后，将加热电极上的基体相变材料刻蚀掉，刻蚀区域的直径小于加热电极，接下来在刻蚀后的区域再溅射生长掺杂层(由相变基体材料掺杂而成)，最后通过表面抛光工艺得到平滑的整个相变材料层。
如图5所示为本发明中研究相变存储器数据保持力和电操作性能所使用的电流源测试系统的示意图。电脉冲信号由可编程电流源芯片输出，信号的脉宽由脉冲信号发生器提供，信号的强度则由数字电流源调控，信号发出后经过切换盒作用于相变存储器上，而读信号由数字电流源表发送给切换盒，读出的电阻值再经切换盒传输到数字源表读出来。
如图6为本实施例的所述相变存储器的工艺流程示意图，制作过程如下：
首先，在二氧化硅(SiO2)基底上生长下电极3，下电极3材料可以是金属钨(W)等导电材料；
其次，在所述下电极3上生长直径更小的加热电极(BEC)2，加热电极2的材料可以是氮化钛(TiN)等；
然后，溅射生长一层相变基体材料层(GST)11，再在所述加热电极2对称轴以上的相变基体材料层11中心区域采用聚焦离子束注入掺杂元素，如氮(N)元素，形成掺杂层12，以改变所述相变基体材料层11中心区域的结晶温度；
接着，溅射生长氮化钛(TiN)粘附层4，最后生长金属钨(W)上电极5。
需要说明的是，本发明实施例提供的工艺流程中，仅仅比现有制作的T型相变存储器多了一步工艺，即聚焦离子束注入形成掺杂层12，工艺过程简单易操作。
综上所述，本发明提供一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，包括：相变基体材料层和形成在所述相变基体材料层中心区域的掺杂层，通过使中心区域的掺杂层结晶温度升高，来抑制非晶态在中心区域结晶，从而提高相变存储器的数据保持力。本发明相变存储器的相变材料层中心具有掺杂区域，在小电流干扰时，此掺杂区域不易结晶，使相变存储器高阻态保持时间增加。而正常电操作SET时，结晶区域在相变材料层中加热电极的边缘，边缘区域结晶温度较低，因此本发明的相变材料层在中心区域掺杂后不会影响正常的电操作。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于，所述相变材料层至少包括：相变基体材料层和形成在所述相变基体材料层中心区域的掺杂层，通过使中心区域的掺杂层结晶温度升高，来抑制非晶态在中心区域结晶，从而提高相变存储器的数据保持力，其中，所述相变材料层形成在所述相变存储器的加热电极表面，所述相变材料层的直径大于所述加热电极的直径，所述掺杂层的直径小于所述加热电极的直径。
2.根据权利要求1所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述掺杂层自上而下贯穿所述相变基体材料层，所述掺杂层与所述加热电极直接接触。
3.根据权利要求2所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述掺杂层与加热电极呈对称结构，具有同一对称轴。
4.根据权利要求1所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述掺杂层中掺杂的元素为氮、碳、氧、银、铝、镁、锌、铬或者锡中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述相变基体材料层为硫系化合物。
6.根据权利要求1所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述相变存储器还包括下电极、粘附层以及上电极，所述加热电极的上表面为相变材料层、下表面为下电极，所述相变材料层的上表面自下而上依次为粘附层和上电极。
7.根据权利要求1所述的提高相变存储器数据保持力的相变材料层结构，其特征在于：所述掺杂层通过离子注入或者通过先刻蚀后生长工艺形成在所述相变基体材料层中心区域。
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