CN112635666B - 一种相变存储单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变存储单元，包括至上而下依次放置的上电极、OTS层、金属隔离层、绝缘层、相变层和下电极；其中，金属隔离层的下表面凹凸不平，金属隔离层的凸起部分与相变层的上表面接触，金属隔离层的凹陷部分被绝缘层填充；金属隔离层用于隔离OTS层和相变层，防止OTS层和相变层的材料发生扩散；绝缘层用于减小金属隔离层和相变层的接触面积，以减缓相变层热量的扩散。本发明所提供的结构减小了需要高温完成非晶化过程的相变层与导热率良好的金属隔离层的接触面积，大大提高了相变存储单元的电热效率；且本发明中金属隔离层的凸起部分分散在金属隔离层的下表面，使相变存储单元中的电流分布更加分散，增大了相变区域，提高了非晶化率。

Description

一种相变存储单元
技术领域
本发明属于微纳半导体存储器结构设计领域，更具体地，涉及一种相变存储单元。
背景技术
随着大数据时代的来临，对半导体存储芯片的存储能力提出了越来越高的要求，相变存储器因为其优良的擦写速度以及更高的可靠性，成为了最具应用潜力的下一代存储器。同时，随着对于存储数据量需求的提升，以及因为量子效应的出现，摩尔定律的失效，存储单元单位面积难以进一步减小，三维交叉堆叠结构的相变存储器的应用被认为是提高存储器件存储密度的有效途径。
三维交叉堆叠结构的使用，有助于提高相变存储器在单位面积的存储单元数量。传统的相变存储单元的结构为简单的T型相变单元结构，该结构会产生交叉串扰问题，即漏电流问题，会造成相变存储器在读取存储信息时，高电阻状态读取为低电阻状态。
为了解决漏电流的问题，现有的相变存储单元，加入了具有高电压导通，低电压关断功能的选通管层。并且为了避免由于选通管材料与相变层材料性质相近而使得接触面容易发生扩散的问题，该相变存储单元进而在二者中间加入一个金属层，以此来阻止材料之间的相互扩散，提高器件可靠性。但是由于相变存储器的相变过程需要产生大量的热，在商用过程中对电热效率要求较高，而该相变单元结构本身并没有针对电热效率问题进行优化，电热效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种相变存储单元，其目的在于由此解决现有技术电热效率较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种相变存储单元，包括至上而下依次放置的上电极、OTS层、金属隔离层、绝缘层、相变层和下电极；
其中，金属隔离层的下表面凹凸不平，金属隔离层的凸起部分与相变层的上表面接触，金属隔离层的凹陷部分被绝缘层填充；
金属隔离层用于隔离OTS层和相变层，防止OTS层和相变层的材料发生扩散；
绝缘层用于减小金属隔离层和相变层的接触面积，以减缓相变层热量的扩散。
进一步优选地，凸起部分分散在金属隔离层的下表面，使相变存储单元中的电流分布更加分散。
进一步优选地，凸起部分的最小宽度为6nm；凸起部分的宽度越小，相变存储单元的电热效率越高。
进一步优选地，凸起部分的宽度为6nm。
进一步优选地，金属隔离层的材料为Ti、Au、Pt或W。
进一步优选地，绝缘层的材料为SiO2。
进一步优选地，上述相变存储单元适用于三维交叉堆叠结构的相变存储器。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种相变存储单元，包括至上而下依次放置的上电极、OTS层、金属隔离层、绝缘层、相变层和下电极；其中，金属隔离层的下表面凹凸不平，金属隔离层的凸起部分与相变层的上表面接触，金属隔离层的凹陷部分被绝缘层填充，从而减小了需要高温完成非晶化过程的相变层与导热率良好的金属隔离层的接触面积，而对于同一个相变存储单元，当外加的电流信号不变时，所产生的焦耳热总量是不变的，所以为了提高电热效率，需要减缓相变层的热量扩散。金属材料热导率高，是热的良导体，因此减小相变层与金属材料的接触面积，可以起到减缓相变层热量扩散的作用，大大提高了相变存储单元的电热效率。
2、在本发明所提供的相变存储单元中，金属隔离层的凸起部分的宽度优选为6nm，可以使金属隔离层和相变层的接触面积进一步减小，使得相变层热量扩散的更加缓慢，进一步提高相变存储单元的电热效率越高。
3、本发明所提供的相变存储单元，凸起部分分散在金属隔离层的下表面，使相变存储单元中的电流分布更加分散，增大了相变区域，提高了非晶化率。
4、本发明所提供的相变存储单元，由于减缓了相变层的热量扩散，达到发生相变的温度所需要的电流脉冲信号的幅值越小，单个相变存储单元内部产生的热量也较小，在单次操作结束后，相变存储单元热量对外扩散，更小的总热量会减小存储阵列中各个相变存储单元之间的热量串扰问题。
附图说明
图1是本发明所提供的相变存储单元结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的相变存储单元中金属隔离层与相变层接触位置处的纵向剖面示意图；
图3是本发明实施例所提供的相变存储单元中金属隔离层与相变层接触位置处的横向剖面示意图；
图4是现有相变存储单元的相变层在不同温度时所需要的电流脉冲幅值曲线示意图；
图5是本实施例所提供的相变存储单元的相变层在不同温度时所需要的电流脉冲幅值曲线示意图。
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。
为了实现上述目的，本发明提供了一种相变存储单元，适用于三维交叉堆叠结构的相变存储器，如图1所示，包括至上而下依次放置的上电极1、OTS层2、金属隔离层3、绝缘层4、相变层5和下电极6；
其中，金属隔离层3的下表面凹凸不平，金属隔离层3的凸起部分与相变层5的上表面接触，金属隔离层3的凹陷部分被绝缘层4填充；其中，凸起部分分散在金属隔离层的下表面，使相变存储单元中的电流分布更加分散；
金属隔离层3用于隔离OTS层和相变层，防止OTS层和相变层的材料发生扩散；
绝缘层4用于减小金属隔离层3和相变层5的接触面积，以减缓相变层热量的扩散。具体的，绝缘层的材料可以为SiO2。
具体的，金属隔离层3的凸起部分的最小宽度为6nm；由于凸起部分的宽度越小，金属隔离层和相变层的接触面积越小，相变层的热量扩散越缓慢，相变存储单元的电热效率越高，故上述凸起部分的宽度优选为6nm。需要说明的是，凸起部分的宽度为6nm是基于如今5nm的工艺水平设计的，在半导体加工工艺进一步提升后，可以将金属与相变单元的接触更加细分，增大电热效率以及相变区域。
进一步地，金属隔离层3的材料可以选择Ti、Au、Pt以及W等半导体加工中常用的金属材料。由于对于同一个相变存储单元，当外加的电流信号不变时，所产生的焦耳热总量是不变的，所以为了提高电热效率，需要减缓相变层的热量扩散。金属材料热导率越低，则相变单元热量扩散越慢，电热效率越高，故金属隔离层的材料的热导率越低，相变存储单元的电热效率越高，进而将金属隔离层3的材料优选为Ti。
为了进一步说明本发明所提供的相变存储单元，下面结合实施例进行详述：
相变存储单元的形状不限，本实施例以圆柱形的相变存储单元为例进行说明，本实施例中，相变单元的直径设计为100nm，将相变单元直径与下电极直径比例设置为5:1，下电极直径尺寸为20nm。由于金属隔离层厚度设置对于相变单元的电热效率影响不大，本实施例对比了厚度从6nm至15nm，间隔为1nm的所有参数，所需电流脉冲幅值变化很小，考虑到工艺难度以及成本，本实施例将金属隔离层厚度的设置为6nm。
如图2所示为相变存储单元中金属隔离层与相变层接触位置处的纵向剖面示意图，从图中可以看出，金属隔离层的纵向剖面呈齿状结构。进一步地，如图3所示为相变存储单元中金属隔离层与相变层接触位置处的横向剖面示意图，由图3可以看出，在横向剖面中金属隔离层的凸起部分呈现圆环状，图3中展示了金属隔离层凸起部分的两个圆环，其中，位于内圈的小圆环内径10nm，外径16nm；位于外圈的大圆环内径34nm，外径40nm；本实施例中圆环的宽度(即凸起部分的宽度)均为6nm。位于小圆环内部的为一段绝缘层，其横向剖面呈圆饼状，其半径为10nm、厚度为3nm；位于小圆环和大圆环之间的为另一段绝缘层，其横向剖面呈圆环状，其宽度18nm、厚度3nm。各段绝缘层的材料均为SiO2。该结构可以减小需要高温完成非晶化过程的相变单元与导热率良好的金属隔离层的接触面积，提高相变存储器的电热效率；另外，为了增大相变区域，挺高非晶化率，本实施例使凸起部分分散在金属隔离层的下表面，即使相变层与金属隔离层接触面为多圆环状，使电流在接触面减小的情况下不过于集中在圆心部分，使得相变区域减小。
为了进一步验证本发明所提出的相变存储单元的有益效果，下面将本实施例中所提供的相变存储单元与现有的相变存储单元(同样也是圆柱形)进行实验比较。当相变存储单元的下电极直径为20nm时，现有相变存储单元和本实施例所提供的相变存储单元的相变层在不同温度时所需要的电流脉冲幅值曲线示意图分别如图4和图5所示；从图4可以看出，现有相变存储单元的相变层达到最高温度700℃时所需要的电流脉冲幅值为34.987uA；从图5可以看出，本实施例所提供的相变存储单元的相变层达到最高温度700℃时所需要的电流脉冲幅值为30.979uA，脉冲幅值下降了4.008uA，下降幅度为11.46％；明显的，达到发生相变的温度所需要的电流脉冲信号的幅值也较小，由此可以看出本发明所提供的相变存储单元，由于减缓了相变层的热量扩散，达到发生相变的温度所需要的电流脉冲信号的幅值较小，故相变存储单元内部产生的热量也较小，电热效率较高。
进一步地，将现有的相变存储单元的金属隔离层的直径减小后，进一步与本实施例所提供的相变存储单元进行比较；分别测量本实施例所提供的相变存储单元与减小金属隔离层直径后的现有相变存储单元的金属隔离层相变区域宽度；具体的，本实施例所提供的相变存储单元的金属隔离层相变区域宽度为43.18nm；减小金属隔离层直径后的现有相变存储单元的相变区域宽度为33.58nm。由此可以看出直接减小金属隔离层直径的方式会使得相变区域更加集中在相变单元中心，从而减小相变区域大小，进而造成整个相变存储单元在晶态和非晶态的电阻值差别越小，不利于信息的存储的问题。
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 (7)

1.一种相变存储单元，其特征在于，包括至上而下依次放置的上电极、OTS层、金属隔离层、绝缘层、相变层和下电极；
所述金属隔离层的下表面凹凸不平，所述金属隔离层的凸起部分与所述相变层的上表面接触，且接触面为多圆环状；所述金属隔离层的凹陷部分被所述绝缘层填充；
所述金属隔离层用于隔离所述OTS层和所述相变层，防止所述OTS层和所述相变层的材料发生扩散；
所述绝缘层用于减小所述金属隔离层和所述相变层的接触面积，以减缓相变层热量的扩散。
2.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述凸起部分分散在所述金属隔离层的下表面，使所述相变存储单元中的电流分布更加分散。
3.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述凸起部分的最小宽度为6nm；凸起部分的宽度越小，相变存储单元的电热效率越高。
4.根据权利要求3所述的相变存储单元，其特征在于，凸起部分的宽度为6nm。
5.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述金属隔离层的材料为Ti、Au、Pt或W。
6.根据权利要求1所述的相变存储单元，其特征在于，所述绝缘层的材料为SiO2。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的相变存储单元，其特征在于，适用于三维交叉堆叠结构的相变存储器。
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