CN201285770Y - 一种相变存储器单元结构 - Google Patents

Abstract

一种相变存储器单元结构，使用于微电子学中的纳米材料制造工艺中。该结构包括：在绝缘衬底上依次沉积的底电极、过渡层、绝热层、相变材料层、过渡层和顶电极，特征在于：所述的相变材料层下方设置了具有中空槽的中空槽状钨电极，中空槽内填充有绝热材料SiO₂，以减少发热部分接触面从而减少结晶区域体积，所述中空槽状钨电极的内半径为钨电极外半径的0.4倍以上，当单元两端的电流超过阈值电流后相变材料产生由非晶相到晶体相的转变。钨电极由于采用了中空结构，从而提高了初始晶化与完全晶化状态之间的电阻差，两种稳定晶化状态之间可以通过不同的操作电流实现更多的中间电阻状态，提高了相变存储器的存储能力。

Description

一种相变存储器单元结构

技术领域

一种相变存储器单元结构，涉及微电子学中的纳米材料制造工艺中。

背景技术

相变随机存储器(PRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显优势：体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发。PRAM还有可能制成多级存储器，并适用于极端温度环境，因其抗辐照，抗震动，不仅被应用到日常的便携式电子产品中，而且在航空航天等领域有着巨大的潜在应用前景。国际半导体联合会在2001年把PRAM预测为可以最先实现商业化的存储器之一。

相变存储器的研究关键问题之一是如何进一步提高存储密度。目前所使用在相变存储器中的一种相变存储器单元结构其构成如结构示意图图4所示，它包括：在绝缘衬底1上依次沉积的底电极2、过渡层3、绝热层4、相变材料层5、过渡层6和顶电极8，还包括置于绝热层4中的钨电极7。这种结构的主要问题在于：虽然能得到不同电阻状态，但由于其晶化状态具有不稳定性，读取电流的微弱变化就会引起晶化状态的改变，所以PRAM器件的存储能力受到限制。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种新的相变存储器单元结构，本实用新型从PRAM结构改进着手，提升PRAM实现多重电阻状态的能力，从而提高PRAM器件的存储能力。

本实用新型的实现方案如图1所示：它包括有：在绝缘衬底1上依次沉积的底电极2、过渡层3、绝热层4、相变材料层5、过渡层6和顶电极8，特征在于：所述的相变材料层下方设置了具有中空槽的中空槽状钨电极9，中空槽内填充有绝热材料SiO₂。

前述的中空槽状钨电极9的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上。

前述的中空槽状钨电极9中的中空槽的半径为80-250nm的孔，中空槽的高度小于绝热层厚度。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本实用新型的加热电极由于采用了中空结构，减少了发热部分接触面从而减少了结晶区域体积，当相变材料层的电流超过阈值电流后，该相变材料产生由非晶体相到晶体相的转变；从而提高了初始晶化与完全晶化状态之间的电阻差，所以两种稳定晶化状态之间可以通过不同的操作电流实现更多的中间电阻状态，提高了相变存储器的存储能力。

附图说明

图1为本发明相变存储器的单元结构示意图；

图2为本发明电压电流对应变化曲线图；

图3为现有技术电压电流对应变化曲线图；

图4为现有技术相变存储器的单元结构示意图。

具体实施方式

实施例：下面通过结合附图详细阐述相变存储器单元的制作过程，以进一步有助于对本实用新型的理解：

请参阅图1图，为相变存储器的单元结构示意图；衬底为1，一般为硅衬底、2为沉积的底电极(可以采用Al，Cu，Au等)、3为过渡层(可以采用TiN)、4为绝热层(可以采用SiO₂)、5为相变材料层、6为过渡层(可以采用TiN)、8为顶电极(可以采用Al，Cu，Au等)、9为中空槽状钨电极。

制作是在绝缘衬底1上依次沉积底电极，过渡层3以及绝热层4；利用曝光刻蚀技术，在上相变材料层5上利用0.18微米互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，在绝热层上挖出半径为80-250nm的孔洞，在本实施例中孔洞的半径为130nm。

利用化学气象沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发法，或者分子束外延法在空洞中生长一层厚度不超过空洞半径0.6倍的中空钨电极，即中空槽状钨电极9的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上；然后利用化学机械抛光法进行抛光。抛光剂主要成分为SiO₂颗粒，以获得填充SiO₂的中空槽状钨电极。

利用常规技术在此基础上依次沉积相变材料薄膜、抗氧化过渡层3和顶电极8以制备PRAM单元，其结构如图1所示。

本实用新型电流扫描模式下的电流电压曲线如图2所示。现有技术的普通实心底电极PRAM单元电流电压曲线如图3所示。

请参阅图2所示，当操作电流超过某一阈值以后，单元电阻突然减小，这符合相变存储的特征，说明超过阈值电流后相变材料发生由非晶相到晶体相的转变，其电阻明显高于如图3所示的实心底电极情况相变后电阻。

相变后继续增大电流，单元电阻将会降低如图2所示，控制加载在某一PRAM单元上的操作电流使其结晶后电阻保持在某一特定值如图2中的x1位置，这样，不同的操作电流可以获得多个中间电阻状态，并可以通过读取电流进行分辨，不同的电阻状态在信息存储中分别代表自然数“0，1，2，3…”。

此种情况电阻渐变的原因是完全结晶区域增加，不同于现有技术中同一区域部分结晶的不稳定情况，故其电阻较参考文献中提到的中间电阻稳定性强。

图2与图3均代表PRAM单元相变材料结晶后电阻，其差异的产生就是加热电极的中空结构引起的，由于在PRAM存储单元中相变材料的晶化是底电极在通电条件下发热诱发的，中空结构减少了发热部分接触面从而减少了结晶区域体积，造成了SET过程后电阻比非中空结构电阻高，继续加大电流，相变材料因为底电极加热源温度升高相变区域增大，因而电阻如图2所示开始降低，使得有更大的操作空间来通过操作电流控制PRAM单元SET后的电阻值，以实现多重电阻状态，其电阻的稳定性要强于现有技术中的电阻的稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种相变存储器单元结构，包括：在绝缘衬底(1)上依次沉积的底电极(2)、过渡层(3)、绝热层(4)、相变材料层(5)、过渡层(6)和顶电极(8)，本实用新型的特征在于：所述的相变材料层下方设置了具有中空槽的中空槽状钨电极(9)，中空槽内填充有绝热材料。

2、根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其特征在于：所述中空槽状钨电极(9)的内半径为中空槽状钨电极外半径的0.4倍以上，中空槽内填充有绝热材料SiO₂。

3、根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其特征在于：中空槽状钨电极(9)中的中空槽的半径为80-250nm的孔，中空槽的高度小于绝热层厚度。

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