CN1812124A - 多值相变存储器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属微电子技术领域，具体为一种多值相变存储器的实现方法。它利用相变薄膜材料或相变薄膜材料与其它半导体材料的复合材料的半导体特性构建半导体薄膜晶体管，利用相变材料可以在电学作用下电阻发生可逆变化的特性来改变半导体薄膜晶体管的沟道长度，达到在单个存储单元中存储多位数据的多值存储的功能。由于薄膜晶体管可以构成空间的立体结构提高密度，而不占用硅衬底的面积。因此采用本发明方法的存储器件可以极大的提高存储密度，同时解决目前基于1T1R结构的相变存储器的外围电路占用硅衬底面积大的问题。

Description

多值相变存储器的实现方法

技术领域

本发明具体涉及一种多值相变存储器的实现方法，属于微电子技术领域。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory-PCM)作为一种新一代非挥发存储器，具有很多优点如：非挥发、读写次数多、长时间数据保持能力以及高转换/擦写速度等，在制造工艺和制造成本上，相变存储器也具有显著的优势。

相变存储器一般采用硫系化合物材料，例如Ge2Sb2Te5的合金(以下简称GST)。在电或热等形式的能量作用下，该材料可在多晶和非晶两相间发生可逆转变，相应地，电阻在低阻和高阻间发生可逆变化，从而可用于信息1或0的存储。目前的相变存储单元一般采用1T1R的结构(如图2)，但这种结构写操作电流大，外围电路大。一般的解决方案是通过缩小存储单元尺寸来减小写操作电流，但减小外围电路还没有非常有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于获得一种既具有相变存储器的优点，又克服现有技术中外围电路面积大的不足，且能提高存储密度的多值相变存储器的实现方法。

本发明的关键在于改变沟道长度来改变沟道电流，利用相变特性来实现不挥发存储。一般场效应管的电流与沟道尺寸的关系为：

$I_{\mathrm{DS}}\∝\frac{W}{L}$

其中，I_DS为沟道电流，L为沟道长度，W为沟道宽度。显然，改变沟道长度可以改变沟道电流。

本发明提出的一种多值相变存储器的实现方法，利用相变材料既有半导体材料的特性，同时又有相变特性的特点，构建基于相变材料的半导体薄膜晶体管，其中高电阻介质层作为薄膜晶体管栅介质或加热层，利用相变材料在电流作用下发生相变的特性来改变薄膜晶体管沟道的长度，实现相变存储器的多值存储。

本发明中，通过高电阻介质层通过电流时所发热量，使部分相变半导体材料发生晶化，改变薄膜晶体管沟道长度。

本发明中，通过多次电流编程，获得不同沟道值，达到多值存储。

本发明中，利用高电阻介质层作为加热层，该介质层是栅介质，或者构建额外的高电阻薄层作为加热层。

本发明中，栅介质薄层是单层介质或多层介质。

本发明中，高电阻介质层是单层介质或多层介质。

本发明中，薄膜晶体管使用空间层迭堆积结构，不占用硅衬底。

本发明中，相变材料是硫系化合物材料，为现有相变存储器的材料。

本发明中，构建薄膜晶体管的材料是相变材料与其它半导体材料的复合材料。

本发明的原理是多次利用高阻层发热使相变半导体层发生部分相变，逐步改变沟道长度，实现多值存储。结合附图，本发明进一步的实现方法是：方法中，将源漏电极5接地，栅电极1上施加编程电压脉冲，利用电流通过高电阻介质层2时所发的热量，热量传给非晶相变材料3，使靠近源漏的相变材料先发生晶化，晶态部分增加，从而改变薄膜晶体管沟道长度，见示意图5。并且，通过升高编程电压脉冲或延长脉冲编程时间，使非晶相变材料进一步晶化，沟道进一步缩短，达到多值存储。而且基于薄膜晶体管的存储单元，可以不占用硅衬底的面积，向空间发展形成多层堆积结构，进一步提高存储密度，见示意图12与13。另外，构建薄膜晶体管的半导体层也可以是相变材料与其它材料的复合材料；而加热层亦可通过另外的加热层实现，见图17，7为加热层，将下电极8接地，在源漏电极5上施加编程电压脉冲，进行写操作，并构造多值。

本发明提出了一种全新的实现多值存储的方法，构建基于薄膜晶体管的存储单元，通过半导体层部分材料的相变来改变沟道长度从而实现存储。它能有效减小擦写电流并实现多植存储；而且，由于薄膜晶体管不需要占用硅表面，所以可以使用层叠立体结构以实现高密度存储，而将有限的硅衬底面积让给外围电路。因此，本发明除了拥有PCM的常规优点，解决了其写操作电流大的问题外，可以构建多值，向高密度发展；通过向空间发展，解决外围电路大的难点。

附图说明

图1是不同编程电流对应的器件电阻图。

图2是1T1R存储单元图。

图3是可实现本发明多值相变的一种结构图。

图4～图11是本发明多值相变存储器的工作原理图。

图12～图13是本发明多值相变存储器的层叠结构示意图。

图14是本发明实施例2存储器结构示意图。

图15～图16是本发明实施例2存储器工作原理图。

图17是本发明实施例3存储器结构示意图。

图18～图19是本发明实施例3存储器工作原理图。

上述图中，1是高电导栅电极(WL)，2是高阻介质层，3是非晶相变材料，4是介质层，5是源漏电极(BL)，6是晶态相变材料，7是高阻层，8是公共电极。

具体实施方式

实施例1：

图3为本发明一种结构，其中，栅电极1为低阻n型硅，高阻介质层2为氧化铝(或者氧化硅、氧化锆等等)，3为非晶Ge₂Sb₂Te₅，源漏电极5为钨。

图4、6、8和10是该薄膜晶体管多值相变存储器的”读”操作过程。图4是该薄膜晶体管初始态”读”操作示意图：当在栅电极1上施加一个高于阈值电压的电压时，氧化铝和非晶Ge₂Sb₂Te₅接触界面产生载流子沟道，在源漏电场的作用下，载流子在沟道中运动形成电流。显然，此时载流子沟道长度是最长的，为两电极间距离。

通过图5、7和9的写操作，源漏处非晶态Ge₂Sb₂Te₅相变为晶态，非晶态部分的减少使仅存在其中的沟道缩短，如图6、8和10。该相变是非挥发的，因此可以构造非挥发存储器，且通过控制沟道的改变量，可以实现多态存储。

图5、7、9和11是该薄膜晶体管多值相变存储器的写操作过程。图5中，源漏钨电极5接地，栅电极1上施加编程电压脉冲。由于氧化铝比较薄，通过的电流较大，其产生的高热量传给传给非晶Ge₂Sb₂Te₅，使其部分达到晶化温度后，相变成多晶状态6。写电流的路径是从栅极到达源或漏，所以是靠近源漏的相变材料先发生晶化。图7、9原理和5类似，是通过升高编程电压脉冲或延长脉冲编程时间，使非晶Ge₂Sb₂Te₅进一步晶化，沟道进一步缩短。图11是擦除操作，施加一个大而窄的电压脉冲，使Ge₂Sb₂Te₅完全从晶态相变成非晶状态，回到图4。

图12和13是本发明多值相变存储器层叠结构示意图，其中图12是正视剖面图，图13是侧视剖面图。其中，栅电极作为字线，源漏电极作为字线。

为了提高器件的开关比，相变材料可以用掺氮的GeSbTe系列，或由SiSbTe系列等等取代，同时，为了降低高阻介质成本，可以用PVD的办法淀积氧化铝层，并处理其界面，从而降低其与相变半导体材料界面上的陷阱。

实施例2：

图14是本发明的另外一种具体实现结构。其中，栅电极1为低阻n型硅，高阻介质层2为氧化铝(或者氧化硅、氧化锆等等)，3为非晶Ge₂Sb₂Te₅，源漏电极5为钨。当进行“读”操作时，在栅电极1上施加一个高于阈值电压的电压，氧化铝2和非晶Ge₂Sb₂Te₅接触界面上产生载流子沟道，在源漏电场的作用下，载流子在沟道中运动形成电流，如图16。当进行“写”操作时，源漏钨电极5接地，栅电极1上施加编程电压脉冲，由氧化铝发热使Ge₂Sb₂Te₅晶化或使其返回到非晶态，从而实现不挥发存储，见图15。与图4结构实现多值存储的方法类似，也能通过逐步晶化的方法实现多值存储。

实施例3：

图17也是本发明的一种具体实现结构。其中，栅电极1为低阻n型硅，高阻介质层2为氧化铝(或者氧化硅、氧化锆等等)，3为非晶Ge₂Sb₂Te₅，源漏电极5为钨，7为氧化铝(或者氧化硅、氧化锆，非晶碳等等)，8为钨下电极。当进行“读”操作时，在栅电极1上施加一个高于阈值电压的电压，氧化铝和非晶Ge₂Sb₂Te₅接触界面上产生载流子沟道，在源漏电场的作用下，载流子在沟道中运动形成电流，如图19。当进行“写”操作时，公共电极8接地，源漏电极5上施加编程电压脉冲，由氧化铝7发热使Ge₂Sb₂Te₅晶化或使其返回到非晶态，从而实现不挥发存储，如图18。它也能通过逐步晶化的方法实现多值存储。

Claims (9)

1、一种多值相变存储器的实现方法，其特征在于利用相变材料既有半导体材料的特性，同时又有相变特性的特点，构建基于相变材料的半导体薄膜晶体管，其中高电阻介质层作为薄膜晶体管栅介质或加热层，利用相变材料在电流作用下发生相变的特性来改变薄膜晶体管沟道的长度，实现相变存储器的多值存储。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过高电阻介质层通过电流时所发热量，使部分相变半导体材料发生晶化，改变薄膜晶体管沟道长度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过多次电流编程，获得不同沟道值，达到多值存储。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用高电阻介质层作为加热层，该介质层是栅介质，或者构建额外的高电阻薄层作为加热层。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于栅介质薄层是单层介质或多层介质。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于高电阻介质层是单层介质或多层介质。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于薄膜晶体管使用空间层迭堆积结构，不占用硅衬底。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于相变材料是硫系化合物材料。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于构建薄膜晶体管的材料是相变材料与其它半导体材料的复合材料。

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