CN106992251B - 一种基于VOx选通管的相变存储单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VOx选通管的相变存储单元，包括下电极层、VOx选通层、相变功能层和上电极层。本发明采用了VOx来实现相变功能层的选通，可以在相变功能层选通的基础上实现数据的存储。通过给VOx施加电压来控制其状态切换，可以达到在低电压时相变存储单元为未选通状态、在高电压时为选通状态的目的。本发明通过VOx的开关控制可以有效的减小相变存储器阵列的漏电流，提供足够高的Reset电流；本发明不需要高温工艺条件，简化了相变存储器的制备工艺，节约成本，为高集成度的相变存储器商用化提供了可能。
Description
技术领域
本发明属于半导体存储技术领域，更具体地，涉及一种基于VOx选通管的相变存储单元。
背景技术
相变存储器PCM是现在最有希望取代Flash存储器成为下一代的非易失性存储器之一。相变存储器单元以硫系化合物为相变材料在电压脉冲下可以实现为晶态和者非晶态的可逆转变。施加一个幅值中等，脉宽较长，脉冲下降沿较缓的电脉冲，可以使相变材料从非晶态转变为晶态，用来将数据从“0”写为“1”；施加一个幅值较高，脉宽较窄，下降沿陡峭的电脉冲，会使相变材料从晶态转变为非晶态，用来擦除数据。现在的高性能系统要求存储器具有更高密度的存储空间和更小的面积尺寸，由于相变单元存在有漏电流及所需要的Reset电流较大等问题，因此，选通管也成为相变存储器海量存储的关键因素之一。
图1为传统的1T1R结构。选通管一般用MOSFET或者BJT；MOSFET 作为相变单元的选通管的原理是通过控制栅压来行成导电沟道从而控制源漏极的开关，其优点是电压降很小，但是如果要提供较高Reset电流(相变材料发生非晶变化所需电流)，则需要增加其沟道宽度，且在小尺寸时， MOSFET不能满足低噪声电流的要求，由于受限于额外选通管的单元面积，相变存储器的存储密度难以继续提升。用BJT作为选通管能够在高密度下提供足够的Reset电流，但是在高电流情况下BJT的电流放大系数将会降低，而且制备工艺成本高。采用二极管的1D1R结构时，因为二极管制备工艺刻蚀剥离步骤多且需要800℃高温的原因，制备条件要求高，难以实现存储单元的3D堆叠。因此，找到一种制备工艺简单且可以低温制备，既可以有效减小漏电流，又有利于相变存储器的高密度3D堆叠集成的选通管，仍是一个难点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于VOx选通管的相变存储单元，通过控制VOx的开关来实现相变存储单元的选通，采取1D1T结构，能实现3D堆叠，由此解决传统1T1R结构相变存储器存储密度低，传统二极管的1D1R制备工艺需要高温的技术问题。相比较与 1T1R结构和传统二极管的1D1R结构，本发明的制备工艺更加简单，不需要高温条件，节约成本，有利于相变存储器的高密度集成和大规模商用化。
本发明提供了一种基于VOx选通管的相变存储单元，包括：依次设置的下电极层、VOx选通层、相变功能层和上电极层；当在所述上电极层和所述下电极层之间施加电压时，所述VOx选通层能实现高阻态和低阻态之间的转换。
更进一步地，相变功能层的材料为GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、 GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe和AgInSbTe中的任意一种以及上述任意一种化合物掺杂S或N或O或Cu或Si或Au元素形成的混合物。
更进一步地，上电极层和下电极层采用的材料为TiW、Pt、Au、W或其他不易与氧气反应的惰性电极。
更进一步地，VOx选通层中VOx材料的X的取值范围为1.9～2.1。
更进一步地，VOx选通层的阈值电压Vth小于相变功能层的擦除操作电压VSet。
更进一步地，VOx选通层的面积大小为100nm2～30μm2。
更进一步地，选通层的VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻，绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。
本发明还提供了一种基于上述的相变存储单元的操作方法，包括下述步骤：
通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个大于阈值电压Vth的强电脉冲，使得VOx选通层的温度升到其相变温度以上，VOx材料由绝缘态的单斜晶系转变为金属态的四方晶系；
通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个小于保持电压Vhold的电脉冲，使得VOx选通层的温度降到相变温度以下，VOx材料重新回到高阻绝缘态；即该VOx材料可以在热能作用下实现可逆转变；
当需要进行写入操作时，通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个强度大于VReset而下降沿为10ns的脉冲信号，使得相变功能层的温度升高到熔化温度以上，使得晶态的长程有序状态遭到破坏，之后极快的下降沿让相变材料迅速冷却到结晶温度以下，此时相变材料来不及晶化就处于高阻值的非晶态相变功能层处于低阻态；
当需要进行擦除操作时，通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个强度介于VReset和VSet之间且脉宽为200ns的脉冲信号，使得相变材料的温度升到晶化温度之上熔化温度以下并保持200ns确保材料完全晶化，此时相变材料由高阻态转变为低阻态，相变功能层处于高阻态，利用相变功能层不同的阻值状态来实现数据的存储。
更进一步地，VOx选通层的阈值电压小于相变单元的擦除操作电压 VSet。
本发明还提供了一种制备上述的相变存储单元中VOx选通层的方法，包括：采用离子束溅射或磁控溅射沉积一层氧化钒再将该材料放入氮气或者氩气氛围中退火后，自然冷却到室温后获得所述VOx选通层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于VOx选通管的相变存储单元和传统二极管选通管相比，二极管的制备工艺步骤繁多，需要两次次光刻和两次腐蚀、杂志扩散、金属化和高于800℃的退火工艺，高温工艺过程不利于其结构在三维(3D)方向的堆叠；VOx制备工艺十分简单，只需要在一次光刻后进行溅射和后退火工艺即可制备，低温工艺条件可以实现3D堆叠集成，成本低，有利于实现相变存储器的高密度存储。
(2)采用1D1R的结构，可以将最小尺寸面积缩小到4F2，采用MOS 管的1T1R结构的最小尺寸面积为8F2，并且在需要更高Reset电流(相变材料发生非晶化所需电流)，则需要增加沟道宽度，本发明提供的方法有尺寸面积更小且制备工艺简单的优越性，可以在3D方向进行堆叠，有利于存储单元的高密度集成。
(3)利用VOx的金属绝缘体转变(MIT)来实现选通管的开关功能。能够提供高达106A/cm2的开态电流密度和小于20ns的开关时间，并且其开关特性在尺寸减小的情况下可以稳定保持，BJT和MOS管无法在提高存储密度的同时保证高开关比或高Reset电流。
(4)本发明提供的基于VOx选通管的相变存储单元，是VOx材料在相变存储器方面的一次应用，对大容量相变存储器的商用化有启发和加速推进的作用。
附图说明
图1是传统1T1R的MOS管选通相变存储单元的结构示意图。
图2是本发明提供的VOx选通相变存储单元的结构示意图。
图3是本发明使用的VOx的I-V特性曲线，分为升压过程和降压过程，能够实现对相变存储单元选通电流的大小控制。
图4是本发明使用的VOx的R-V特性曲线，分为升压过程和降压过程，能够实现VOx高阻与低阻之间的转换。
图5是没有加入VOx选通层的相变单元I-V特性曲线。
图6是本发明整体结构的I-V特性曲线。
图7是本发明相变单元功能测试曲线图。
图中1为下电极层，2为VOx选通层，3为相变功能层，4为上电极层， 5为相变电阻，6为晶体管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于VOx选通管的相变存储单元；通过施加电压的方法来切换VOx的开启和关闭状态，可以有效的控制相变存储器的选通。其中，使用VOx来作为相变存储单元的选通材料。通过施加电压到VOx选通层，实现对其状态控制。
如图2所示，基于VOx选通管的相变存储单元包括：依次设置的下电极层、VOx选通层、相变功能层和上电极层；当在上电极层和下电极层之间施加电压时，VOx选通层能实现高阻态和低阻态之间的转换。
具体地，在上电极层和下电极层施加电压，VOx选通层应具有开关特性，以保证能够实现高阻态和低阻态之间的转换。当施加一个大于Vth的强电脉冲时，产生的热量可以使VOx温度升到其相变温度以上，材料会由绝缘态的单斜晶系转变为金属态的四方晶系；当施加一个小于Vhold的电脉冲时，温度降到相变温度以下，材料会重新回到高阻绝缘态，即该VOx材料可以在热能作用下实现可逆转变。相变功能层实现数据的存储，在施加写入脉冲时，相变功能层处于低阻态；施加擦除脉冲时，相变功能层处于高阻态，利用相变功能层不同的阻值状态来实现数据的存储。
在本发明实施例中，制备这种具有相变特性的VOx时，先在衬底上用离子束溅射、直流磁控溅射或射频磁控溅射一层氧化钒薄膜材料，再在氮气或氩气等保护气氛围中退火，然后自然冷。这样便制备得到本发明的VOx材料。溅射法和常规的蒸发法相比，(1)溅射法沉积原子的能量较高，因此所制薄膜的组织致密、附着力较好。(2)制备VOx薄膜时对成分的控制性能较好。(3)金属钒的熔点为1890±10℃，蒸发沉积方法需要很高的基底温度才能使之蒸发，而溅射法可以方便地利用高熔点物质的溅射。与PLD 法相比，PLD法虽能获得质量较高的薄膜，难以形成大面积均匀薄膜且设备相对较贵，不适合批量生产，而溅射法则适合批量生产。与其他方法相比：(1)溶胶一凝胶方法可以在大面积非平面基底上成膜，但制备高取向、开关特性好的高质量VOx膜相当困难，薄膜特性较难控制，所制薄膜致密度差，厚度不易控制，容易存在气泡或开裂等缺陷，而且容易造成污染；(2) 化学气相沉积需要用到稀有、有毒气体，造成工作人员不安全，且不利于环保；(3)分子束外延、原子层沉积技术设备昂贵，操作困难，不利于批量和工业化生产。
图3是VOx单元的V-I曲线，逐渐增加在VOx上施加的电压，当电压达到阈值电压Vth时，通过VOx的电流急剧增大，此时VOx由半导体高阻态转变为金属低阻态，选通管开启；相反的，逐渐减小施加在VOx上的电压时，当电压减小到保持电压Vhold时，通过VO2的电流急剧减小，此时 VOx返回到半导体高阻态，选通管关闭。
在本发明实施例中，采用的是不需要额外晶体管的1D1R结构，相比较与1T1R结构，尺寸更小且有利于实现3D堆叠。VOx的制备工艺十分简单，与需要高温条件下制备的二极管相比，VOx在室温条件下溅射后再进行后退火工艺即可得到，简化制备工艺，节约成本。VOx的阈值电压，远小于相变单元的相变临界电压Vpc，使得相变存储单元有较大的操作窗口。VOx的开关比可以高达104数量级，能有效减小漏电流并提供足够大的Reset驱动电流。
图3是VOx材料的典型I-V特性曲线，图4是其典型R-V曲线。参考这两图，可以看出当在VOx上施加电压时，在电压达到2.2V时，VOx由高阻转变到低阻，开态电路与关态电流比值接近3个数量级，将此临界电压称为阈值电压Vth。
在本发明实施例中，VOx的阈值电压Vth与其制备工艺的具体参数有关，在能够制备出具有相变特性的VOx的氧气浓度范围内，Vth的大小与VOx溅射过程中氧气浓度大小呈正相关，特别的，VOx选通层单元面积尺寸越小，Vth越小。
在本发明实施例中，构成选通层的VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻，绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100，特别地，绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于10000。电阻比值大小与制备工艺中具体参数的选择有关，随着氧气浓度的增加，电阻比值减小。同时电阻的大小与选通层面积尺寸有关，尺寸越小，选通层的开关电阻越小，开关比也越大，所以本发明在小尺寸的高密度存储阵列中具有更优秀的选通特性。
在本发明实施例中，构成选通层的VOx材料的相变温度在68℃附近，特别地，VOx的相变温度可在60℃～80℃。
图5是相变材料GST的典型I-V特性曲线，从图上可以看到，当外加电压达到相变材料的相变电压VSet时，其产生的热量可使相变材料上升至晶化温度以上并维持足够的原子驰豫时间，材料会由无序的非晶态转变为有序的晶态电阻值会发生急剧变化。
在本发明实施例中，非晶态电阻与晶态电阻的比值大于10；特别地，非晶态电阻与晶态电阻的比值大于100000。
在本发明实施例中，相变材料的相变电压VSet与掺杂浓度有关，对相变材料掺杂N、Si可以提高晶化温度，从而使VSet增大。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的一种基于VOx选通管的相变存储单元，现结合具体实例详述如下：
图6是测试该发明的选通过程曲线，当电压从零逐渐增大的过程中，电流也随之增加，在电压达到阈值电压Vth时，电流发生了跳变急剧增大，说明此时VOx由关态转变为开态，整体的电阻急剧减小，选通管打开。在选通管打开的情况下，继续增加施加电压，当电压增加到相变电压VSet时，电路再次发生跳变急剧增大，此时是因为外加电压达到GST相变材料的相变电压，GST由非晶态转换为晶态，电阻减小，实现了相变单元的擦除操作。并且选通管的阈值电压Vth与相变单元的相变电压VSet相比小很多，使得相变单元有较大的操作窗口。
图7是测试该发明的读取功能曲线，为了研究TiWGST/VO2/TiW的读取功能，我们给单元施加一个擦除脉冲(Setting pulse)。因为GST的相变电压为4.6V，我们施加一个幅值6V，脉宽500ns的擦脉冲。对比图中两条曲线，扫描电压范围0-2V，在施加擦脉冲后，GST已经由非晶态转变为晶态，只要读取电压略大于阈值电压(0.9V)时，其当前存储状态可以通过电阻值区别。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于VOx选通管的相变存储单元，其特征在于，包括：依次设置的下电极层、VOx选通层、相变功能层和上电极层；当在所述上电极层和所述下电极层之间施加电压时，所述VOx选通层能实现高阻态和低阻态之间的转换；所述VOx选通层的阈值电压Vth小于相变功能层的擦除操作电压VSet。
2.如权利要求1所述相变存储单元，其特征在于，所述相变功能层的材料为GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe和AgInSbTe中的任意一种以及上述任意一种化合物掺杂S或N或O或Cu或Si或Au元素形成的混合物。
3.如权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述上电极层和下电极层采用的材料为TiW、Pt、Au、W或其他不易与氧气反应的惰性电极。
4.如权利要求1-3任一项所述的相变存储单元，其特征在于，所述VOx选通层中VOx材料的X的取值范围为1.9～2.1。
5.如权利要求1-3任一项所述的相变存储单元，其特征在于，VOx选通层的面积大小为100nm2～30μm2。
6.如权利要求1-3任一项所述的相变存储单元，其特征在于，选通层的VOx材料的绝缘态电阻大于金属态电阻，绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。
7.一种基于权利要求1所述的相变存储单元的操作方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个大于阈值电压Vth的强电脉冲，使得VOx选通层的温度升到其相变温度以上，VOx材料由绝缘态的单斜晶系转变为金属态的四方晶系；
通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个小于保持电压Vhold的电脉冲，使得VOx选通层的温度降到相变温度以下，VOx材料重新回到高阻绝缘态；
当需要进行写入操作时，通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个强度大于VReset下降沿为10ns的脉冲信号，使得相变功能层的温度升高到熔化温度以上，使得晶态的长程有序状态遭到破坏，之后极快的下降沿让相变材料迅速冷却到结晶温度以下，此时相变材料来不及晶化就处于高阻值的非晶态相变功能层处于低阻态；
当需要进行擦除操作时，通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个强度介于VReset和VSet之间且脉宽为200ns的脉冲信号，使得相变材料的温度升到晶化温度之上熔化温度以下并保持一段时间来确保材料完全晶化，此时相变材料由高阻态转变为低阻态，相变功能层处于高阻态，利用相变功能层不同的阻值状态来实现数据的存储。
8.如权利要求7所述的操作方法，其特征在于，所述VOx选通层的阈值电压小于相变单元的擦除操作电压VSet。
9.一种制备权利要求1所述的相变存储单元中VOx选通层的方法，其特征在于，包括：采用离子束溅射或磁控溅射沉积一层氧化钒再将该材料放入氮气或者氩气氛围中退火后，自然冷却到室温后获得所述VOx选通层。
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