相变存储器单元器件的结构的改进制造技术

本发明专利技术涉及一种相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于在圆形的下电极上方，通过一定厚度同心圆柱的介质层，实现加热相变材料的热能向下输运的有效控制，一方面很好地保护了构成ＰＣＲＡＭ芯片下面的ＣＭＯＳ电路不受较大热能与载流子的冲击，另一方面在减小相变材料与底电极直接接触面积的同时也获得了很好的保温效果，同时，介质层与很小的相变区域可以把下电极封盖住，很容易实现ｒｅｓｅｔ过程，同时上电极与相变材料的界面也可用相同同形圆柱的设计方法，这样一来，上下结构与电极对称，使电场均匀，导致的热场均匀，有利于低电压、低功耗与高速存储的实现，且考虑与ＣＭＯＳ工艺的集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变存储器单元的结构的改进，通过改进后的结构，可 提高器件的加热效率，降低器件的功耗。属于微纳电子学
背暈技术相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys. Rev. Lett., 21， 1450~1453， 1968)70年代初(Appl. Phys. Lett., 18， 254~257, 1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能 稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录 的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器 的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多 晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以 实现信息的写入、擦除和读出操作。相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、 功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取 代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器 件。相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号擦操作(RESET),当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即1态到0态的转换；写操作(SET), 当施加一个长且中等强度的脉冲信号可以使相变材料温度升到熔化温度之 下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即0态到1态的转换；读操作，当加一个对相变材料的 状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取 它的状态。目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公 司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，主要集 中体现在①降低相应的操作电流，即降低功耗；②器件结构设计和存储机理 研究等；③高密度器件阵列的制造工艺研究，包括如何实现器件单元的纳米 尺度化问题、高密度器件芯片的工艺问题、器件单元的失效问题等几方面。 其中器件的功耗降低是非常关键和重要的，因为相变存储器器件单元的相变 过程最终要靠金属互补氧化物半导体管的驱动来实现的，为了实现与高密度 存储芯片中的CMOS管功率相匹配，必需降低器件的功耗。目前，降低器件 功耗的方法有减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；在 电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。但是所有这些方法在 加热效率上都不够高，不能很好满足目前器件的要求。根据文献报道，在相 变存储器中85%的热量被耗散，只有约15%的热量被用于相变，这是欲开发 低功耗、高速的相变存储器一个制约因素。文献报道不同结构的PCRAM有 不同的RESET电流，RESET电流与结构中热量的利用率有关系，热量的利 用率高的结构，RESET电流小。从能量平衡的角度设计与优化新型器件结构 是可行的方案之一，进一步提高热量用于相变的效率，降低器件功耗，这正 是本专利技术的出发点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相变存储器单元器件的核心结构，以有效降 低器件的功耗。所述的相变存储器的结构如图1所示，它是由相变材料4、 相变材料中填加材料3、绝缘材料7、加热电极材料2、引出电极材料5、 6 构成。电极材料1，如W，在电极材料上添加加热电极2，如TiN。加热电 极2上为一层相变材料薄膜4，在相变材料薄膜中填加入圆柱形绝热材料或 者加热材料3，热导系数0.2-2.2《(『/w承)，电阻率大于104，如Si02 .非晶碳。填加的材料和电极构成一个环型。填加材料可以只和下电极接触，使得 下电极接触面形成一个环状;也可以在相变材料上部添加同心圆柱介质材料， 与上、下电极构成的同心圆柱；上、下电极构成的同心圆柱，使上、下结构 与电极对称，使电场均匀，导致的热场均匀。同心圆柱的介质材料可以是Si02、 Ti02、 Zr02、 Y203、 Hf20、 TaA或Zr02等介质材料，也可是高阻的非晶Si， C， GeSi等材料。上、下电极的尺寸相同，上、下同心圆柱介质的尺寸也相同， 电脉冲是纳秒级的高频信号，电流在高频下的趋肤效应，会出现中间电场弱， 边上电场强的情况，这样有利于存储单元在边上的能量集中，很好地实现set 与reset过程，达到低功耗的目的。上、下同心圆柱介质材料的半径与厚度 主要由可逆相变的热平衡决定的。上、下电极尺寸可以不相同，上、下圆柱 介质的半径可以不一样，甚至上同心圆柱介质半径可以是0;取决于热平衡 的计算。下电极与同心圆柱介质的尺寸非常重要，同心圆柱介质层，通过计 算，实现尺寸的优化，在保温的同时，与上电极与介质层配合散热的同时， 保护构成PCRAM芯片下面的CMOS电路不受较大热能与载流子的冲击，提 高PCRAM芯片的性能可靠性；为了提高加热效率，要求电流产生的焦耳热都尽可能的集中在相变材料 区域4。在这种结构中，填加的材料3因为热导率低从而起到了阻止热量散 失的作用。如果材料具有电导率较低的属性，那么所填加的材料还能起到进 一步加热相变材料的作用。要降低器件功耗， 一个有效的办法就是减小相变区域。填加了低热导率 和低电导率材料3后，相变区域4被压縮到环型区域。相变材料中通过电流， 由于填加材料电导率低，大部分电流流向环型区域4，环型区域4的电流密 度很大，通过电流的焦耳加热，环型区域4最先达到熔点。继续通过电流， 使得整个环型区域4的相变材料达到熔融状态。与要把原先包含填加材料区 域的相变材料熔化所需要的外界能量相比，只要熔化环型区域4所需要的外 界能量要小得多。填加材料的大小形状还要考虑到热平衡的问题。在器件擦过程中，要使熔融态相变材料转变成非晶态，需要迅速降温，因此环型区域4大小的设计 不能太小。因为如果环型区域4太小，处于熔融态的相变材料不能有效的通 过散热进行降温，从而不能产生相变材料的非晶态，导致reset过程失败。同 样，在set过程中，降温过程要求比较缓慢，如果环型区域4太大的话，相 变区域的温度下降过快，导致set过程失败，因此要考虑保温和散热之间达 到最佳匹配。加热电极2的大小和填加材料大小之间有最佳匹配的关系。对于不同的 工艺标准，加热电极2的变化，如260nm， 100nm， 50nm，填加材料的厚度 和宽度都有一个最佳的匹配值，使得相变材料在最低的功耗下达到熔融状态， 同时在擦和写过程中的散热和保温要求能够得到满足，因而使得器件功耗最 小，其优化规律通过热传导方程和电场方程的耦合求解得到。要降低器件功耗的另一个参考标准是器件中的电场分布是否均匀。只有 保持了器件中电场均匀，使得环型区域里的相变材料的相变具有一致性，才 能有效降低器件功耗。从器件的横向电势分布，图5，可以看出所提供的器 件的电场均匀性是满足要求的。对于某个条件下最有结构尺寸，在大规模集成电路中，随着集成电路密 度的增加，该专利技术单元结构尺寸可以等比縮小。在材料的选取上，要考虑到材料的电导率，热导率，热容，介电常数等 材料性质。的填加材料3可以是Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器单元器件结构的改进，所述的器件由相变材料、绝缘材料、加热电极材料、上、下电极材料组成，其特征在于在电极材料上添加加热电极，加热电极为一层相变材料薄膜，在相变材料薄膜中填加入圆柱形绝热材料或加热材料，填加入的材料和电极构成一个环形。

【技术特征摘要】
1、一种相变存储器单元器件结构的改进，所述的器件由相变材料、绝缘材料、加热电极材料、上、下电极材料组成，其特征在于在电极材料上添加加热电极，加热电极为一层相变材料薄膜，在相变材料薄膜中填加入圆柱形绝热材料或加热材料，填加入的材料和电极构成一个环形。2、 按权利要求1所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在于填加入圆柱形绝热材料或加热材料的材料只和下电极接触，与下电极接触面形成一个环状；或与上、下电极构成同心圆柱；相变区域被压縮到环形区域。3、 按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在 于填加入的圆柱形绝热材料或加热材料的热导系数为0. 2_2. 2k(W/mgk)、电 阻率大于104。4、 按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件结构的改进，其特征在 于填加入的圆柱形绝热材料或加热材料为Si02、 Ti02、 Zr02、 Y203、 Hf02、 Ta205 或Zr02介质材料，或为非晶的Si、 C或...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，凌云，龚岳峰，刘波，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]