CN110635030A - 用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 - Google Patents
用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110635030A CN110635030A CN201910906709.0A CN201910906709A CN110635030A CN 110635030 A CN110635030 A CN 110635030A CN 201910906709 A CN201910906709 A CN 201910906709A CN 110635030 A CN110635030 A CN 110635030A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- material layer
- phase
- electrode material
- configuration structure
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 115
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims abstract description 55
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910005936 Ge—Sb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 3
- -1 chalcogenide compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 7
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 abstract description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 14
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
- H10N70/231—Multistable switching devices, e.g. memristors based on solid-state phase change, e.g. between amorphous and crystalline phases, Ovshinsky effect
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/841—Electrodes
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其中：垂直电极配置结构包括上层电极材料层、中间相变材料层、下层电极材料层；上层电极材料层和下层电极材料层为非对称上下电极结构，可进行源漏端交换；下层电极材料层的侧方、中间相变材料层的下方配置有绝缘介质保护层。对于低阻晶态，通过构造非对称的上下电极结构，相比较于正对垂直电极结构，增大了等效电阻R，减小了工作电流，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。同时，非正对面积分量分流了串联通路电流，增大串联过程电流扩散，也使得工作电流减小，工作电流越小，亚稳态的晶相结构越不容易被击穿。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，涉及一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，具体涉及一种以硫系相变材料为基底的相变存储器元件的设计及其应用。
背景技术
以硫系相变材料为基底的相变存储器，通过晶相和非晶相之间巨大的电阻差异来存储信息数据，甚至可以做到多级相变存储。这种相变过程随着尺寸减小而具有低功耗、高密度的成本优势，因而业界对纳米级相变存储器的开发极为关注。
目前在相变单元结构设计上比较成熟应用有T型结构、侧墙接触型结构等，其目的是为了降低非晶化过程的电流，从而降低功耗。这种结构把一个相变存储单元视作一个不变的两端元件，通过限制其中一端的截面积，增大非晶化过程的电流密度，降低非晶化过程的电流，从而降低功耗。
事实上在相变单元不断缩小的过程中，相变材料本身的纳米效应逐渐变得不可忽视。尤其是进入10nm尺度以下，晶相阻值非常小，极易隧穿而表现出短接电路的特性。
因此，有必要提出一种适用于纳米级相变单元的新型电极配置结构，来解决纳米级下、低阻晶化过程中隧穿短接的问题。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，特别是，在相变单元缩小到纳米级导致纳米效应突出的情况下，低阻晶化过程中如何避免隧穿短接，本发明提供了一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，对于低阻晶态，通过构造非对称的上下电极结构，相比较于正对垂直电极结构，增大了等效电阻R，减小了工作电流，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。同时，非正对面积分量分流了串联通路电流，增大串联过程电流扩散，也使得工作电流减小，工作电流越小，亚稳态的晶相结构越不容易被击穿。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其中：
所述垂直电极配置结构包括上层电极材料层、中间相变材料层、下层电极材料层；
所述上层电极材料层和下层电极材料层为非对称上下电极结构，具有水平投影面积重叠的正对面积分量，也具有投影面积不重叠的非正对面积分量，且正对面积分量全部对应设置有所述中间相变材料层，部分或全部非正对面积分量也对应设置有所述中间相变材料层；上下电极结构可进行源漏端交换；所述下层电极材料层的侧方、所述中间相变材料层的下方配置有绝缘介质保护层。
优选地，所述上层电极材料层和下层电极材料层不是基于同一次光刻工序形成的。
优选地，所述上层电极材料层和下层电极材料层分别采用不同的电极材料。
优选地，所述上层电极材料层之上设置绝缘介质保护层。
优选地，所述上层电极材料层之上不设置绝缘介质保护层。
优选地，所述上层电极材料层和/或下层相变材料层与所述中间相变材料层之间设置金属粘附层或电极匹配层。
优选地，所述上层电极材料层和/或下层相变材料层与所述中间相变材料层直接接触、不设置金属粘附层或电极匹配层。
优选地，所述上层电极材料层的侧方、所述中间相变材料层的上方配置有绝缘介质保护层。
优选地，所述上层电极材料层的侧方、所述中间相变材料层的上方不配置绝缘介质保护层。
优选地，所述中间相变材料层采用硫系化合物或非硫系的Ge-Sb系列相变材料。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
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、本发明的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，对于低阻晶态，通过构造非对称的上下电极结构，将单元接入电路，电流在上下等电势面间垂直流动，相比较于正对垂直电极结构，增大了等效面间距L，重叠的正对面积分量小、减小了等效截面积S，从而增大等效电阻R，减小了工作电流，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。
2、本发明的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，通过构造非对称的上下电极结构，在正对面积分量发挥上述作用的同时，非正对面积分量分流了串联通路电流，增大串联过程电流扩散，也使得工作电流减小，工作电流越小，亚稳态的晶相结构越不容易被击穿。
附图说明
图1是本发明实施例的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构的剖面与俯视对应的展开示意图。
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。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一种较佳实施方式，如图1所示，本发明提供一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其中：所述垂直电极配置结构100包括上层电极材料层120、中间相变材料层130、下层电极材料层140。
所述上层电极材料层120和下层电极材料层140为非对称上下电极结构，具有水平投影面积重叠的正对面积分量(上下电极、中间相变材料三者为相交关系)，也具有投影面积不重叠的非正对面积分量，且正对面积分量全部对应设置有中间相变材料层130，部分或全部非正对面积分量也对应设置有中间相变材料层130，如图1所示。所述下层电极材料层140的侧方、所述中间相变材料层130的下方配置有绝缘介质保护层150，优选地，该绝缘介质保护层150填充满所述上层电极材料层120下的非正对面积分量。
在本应用中上层电极材料层120和下层电极材料层140可将其视作通常的两端元件进行源漏端交换。
所述上层电极材料层120和下层电极材料层140在制备工艺上不是基于同一次光刻工序形成的，可以使用差异化的电极材料进行寿命保护。
所述上层电极材料层120之上视应用场合不同可能存在绝缘介质保护层例如SiO2等，这里并未绘出，也可以不设置绝缘介质保护层。
在上下层电极接近中间相变材料层130之处是上层电极接触表面120A与下层电极接触表面140A，同样视情况分别可能存在金属粘附层或电极匹配层，也可以直接接触、不设置金属粘附层或电极匹配层。
对于惰性电极(例如Ti3W7)和化学势配置良好的相变材料(例如Ge2Sb2Te5)，不需要额外的附加层，上层电极材料层120和下层电极材料层140与中间相变材料层130直接接触。
对于活性电极材料如Pt、Ag等，则需要金属粘附层或电极匹配层(例如Ti)。
所述中间相变材料层130使用硫系化合物(chalcogenides)材料作为功能层，采用Ge-Sb-Te系列或AIST系列相变材料，或使用或非硫系的Ge-Sb系列相变材料；器件作用过程中涉及物性变化的过程主要发生在中层相变材料层130靠近上层电极接触表面120A与下层电极接触表面140A的位置。
所述下层电极材料层140的侧方的绝缘介质保护层150是必需的，但是，所述上层电极材料层120的侧方、所述中间相变材料层130的上方，视应用场合不同也可能存在绝缘介质保护层150，优选地，该绝缘介质保护层150填充满所述下层电极材料层140上的非正对面积分量；视应用场合不同也可能不配置绝缘介质保护层150。
如图1所示，将单元接入电路，电流在上下等电势面间垂直流动，基于通用电阻计算公式定性估值
电阻率常数ρ保持不变，非对称上下电极相比较于正对垂直电极结构，增大等效面间距L，减小等效截面积S，从而增大等效电阻R。由于工艺上制备相变材料层厚度一般在20纳米以下，通常平面工艺尺寸要大两个量级左右，所以非正对面积分量对阻值贡献远小于正对面积，因此当正对面积减小为原来的1/x，可视作等效面间距L不变，等效截面积S减小为原来的1/x，则电阻值将增大x倍，工作电流可有效降低，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。
通过构造非对称的上下电极结构，在正对面积分量发挥上述作用的同时，非正对面积分量分流了串联通路电流，增大串联过程电流扩散，也使得工作电流减小，工作电流越小，亚稳态的晶相结构越不容易被击穿。
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 (10)
1.一种用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述垂直电极配置结构(100)包括上层电极材料层(120)、中间相变材料层(130)、下层电极材料层(140)；
所述上层电极材料层(120)和下层电极材料层(140)为非对称上下电极结构，具有水平投影面积重叠的正对面积分量，也具有投影面积不重叠的非正对面积分量，且正对面积分量全部对应设置有所述中间相变材料层(130)，部分或全部非正对面积分量也对应设置有所述中间相变材料层(130)；上下电极结构可进行源漏端交换；所述下层电极材料层(140)的侧方、所述中间相变材料层(130)的下方配置有绝缘介质保护层(150)。
2.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)和下层电极材料层(140)不是基于同一次光刻工序形成的。
3.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)和下层电极材料层(140)分别采用不同的电极材料。
4.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)之上设置绝缘介质保护层。
5.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)之上不设置绝缘介质保护层。
6.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)和/或下层相变材料层(140)与所述中间相变材料层(130)之间设置金属粘附层或电极匹配层。
7.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)和/或下层相变材料层(140)与所述中间相变材料层(130)直接接触、不设置金属粘附层或电极匹配层。
8.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)的侧方、所述中间相变材料层(130)的上方配置有绝缘介质保护层(150)。
9.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述上层电极材料层(120)的侧方、所述中间相变材料层(130)的上方不配置绝缘介质保护层(150)。
10.如权利要求1所述的用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构，其特征在于：
所述中间相变材料层(130)采用硫系化合物或非硫系的Ge-Sb系列相变材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910906709.0A CN110635030B (zh) | 2019-09-24 | 2019-09-24 | 用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910906709.0A CN110635030B (zh) | 2019-09-24 | 2019-09-24 | 用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110635030A true CN110635030A (zh) | 2019-12-31 |
| CN110635030B CN110635030B (zh) | 2021-10-01 |
Family
ID=68974160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910906709.0A Active CN110635030B (zh) | 2019-09-24 | 2019-09-24 | 用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110635030B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112909160A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-06-04 | 华中科技大学 | 一种低操作功耗的相变存储单元及其制备方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060113520A1 (en) * | 2004-12-01 | 2006-06-01 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| CN1971932A (zh) * | 2005-11-25 | 2007-05-30 | 尔必达存储器股份有限公司 | 半导体存储装置 |
| CN1983617A (zh) * | 2005-11-28 | 2007-06-20 | 尔必达存储器株式会社 | 电可改写非易失存储元件及其制造方法 |
| CN101246950A (zh) * | 2007-02-08 | 2008-08-20 | 旺宏电子股份有限公司 | 具有较低电流相变化元件的存储元件 |
| US20080224120A1 (en) * | 1999-03-25 | 2008-09-18 | Ovonyx, Inc. | Phase change device with offset contact |
| CN102064276A (zh) * | 2010-11-01 | 2011-05-18 | 华中科技大学 | 一种非对称相变存储器单元及器件 |
| CN102097585A (zh) * | 2010-11-29 | 2011-06-15 | 山东华芯半导体有限公司 | 一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法 |
| CN104518085A (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-15 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 具有横向偏移的beva/teva的rram单元结构 |
| CN106299110A (zh) * | 2015-06-11 | 2017-01-04 | 复旦大学 | 可降低写操作电压的非易失性存储元件及制造方法 |
| CN107017341A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种非对称环状微电极相变存储单元及器件 |
-
2019
- 2019-09-24 CN CN201910906709.0A patent/CN110635030B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080224120A1 (en) * | 1999-03-25 | 2008-09-18 | Ovonyx, Inc. | Phase change device with offset contact |
| US20060113520A1 (en) * | 2004-12-01 | 2006-06-01 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor integrated circuit device and method of manufacturing the same |
| CN1971932A (zh) * | 2005-11-25 | 2007-05-30 | 尔必达存储器股份有限公司 | 半导体存储装置 |
| CN1983617A (zh) * | 2005-11-28 | 2007-06-20 | 尔必达存储器株式会社 | 电可改写非易失存储元件及其制造方法 |
| CN101246950A (zh) * | 2007-02-08 | 2008-08-20 | 旺宏电子股份有限公司 | 具有较低电流相变化元件的存储元件 |
| CN102064276A (zh) * | 2010-11-01 | 2011-05-18 | 华中科技大学 | 一种非对称相变存储器单元及器件 |
| CN102097585A (zh) * | 2010-11-29 | 2011-06-15 | 山东华芯半导体有限公司 | 一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法 |
| CN104518085A (zh) * | 2013-09-30 | 2015-04-15 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 具有横向偏移的beva/teva的rram单元结构 |
| CN106299110A (zh) * | 2015-06-11 | 2017-01-04 | 复旦大学 | 可降低写操作电压的非易失性存储元件及制造方法 |
| CN107017341A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种非对称环状微电极相变存储单元及器件 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112909160A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-06-04 | 华中科技大学 | 一种低操作功耗的相变存储单元及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110635030B (zh) | 2021-10-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yao et al. | Highly transparent nonvolatile resistive memory devices from silicon oxide and graphene | |
| Zhao et al. | Reversible alternation between bipolar and unipolar resistive switching in Ag/MoS 2/Au structure for multilevel flexible memory | |
| Wang et al. | Nanoporous silicon oxide memory | |
| Qi et al. | Resistive switching in single epitaxial ZnO nanoislands | |
| Park et al. | Multilevel nonvolatile small-molecule memory cell embedded with Ni nanocrystals surrounded by a NiO tunneling barrier | |
| JP5519790B2 (ja) | スイッチングが向上したｐｃｍｏ不揮発性抵抗メモリ | |
| KR101390011B1 (ko) | 유기 메모리 소자 및 그의 제조방법 | |
| US9379322B2 (en) | Highly reliable nonvolatile memory and manufacturing method thereof | |
| Gu et al. | Conductive path formation in the Ta2O5 atomic switch: first-principles analyses | |
| US8391050B2 (en) | Resistance change element, semiconductor memory device, manufacturing method and driving method thereof | |
| US20080108176A1 (en) | Phase change memory and fabricating method thereof | |
| US8513639B2 (en) | Resistive-switching memory and fabrication method thereof | |
| US20170316822A1 (en) | Switch device and storage unit | |
| Kwon et al. | Structurally engineered nanoporous Ta2O5–x selector-less memristor for high uniformity and low power consumption | |
| CN110635030B (zh) | 用于纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构 | |
| CN103050623B (zh) | 一种具备多阻态特性的二阶忆阻器及其调制方法 | |
| WO2019240139A1 (ja) | 導電性ブリッジ型のメモリ装置及びその製造方法並びにスイッチ素子 | |
| KR100651656B1 (ko) | 투명전도성 산화물 전극 접촉 재료를 갖는 상변화 메모리 셀 | |
| Han et al. | Conductive silver grid electrode for flexible and transparent memristor applications | |
| Wang et al. | Resistive switching memristor: on the direct observation of physical nature of parameter variability | |
| Jian et al. | Ultralow-power RRAM with a high switching ratio based on the large van der Waals interstice radius of TMDs | |
| US9831290B2 (en) | Semiconductor memory device having local bit line with insulation layer formed therein | |
| TWI549263B (zh) | 記憶體結構及其製備方法 | |
| CN110767801B (zh) | 纳米级相变存储器单元的垂直电极配置结构的加工方法 | |
| CN110767802B (zh) | 用于纳米级相变存储器单元的电极配置结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Tong Hao Inventor after: Ma Ping Inventor after: Miao Xiangshui Inventor before: Ma Ping Inventor before: Tong Hao Inventor before: Miao Xiangshui |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |