相变存储单元结构、其制备方法及相变存储阵列制备方法技术

本发明专利技术涉及相变存储单元结构，该结构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。采用本发明专利技术的相变存储器采用三维结构，外围电路全部埋置于相变存储阵列下面，使得外围电路面积不会影响整个芯片的面积，相变存储器阵列位于外围电路的上方，布满整个芯片，最大程度利用了芯片的面积，提高器件密度。器件结构采用横向结构，比起纵向结构，在实现同样的结构图形的情况下，简化工艺。器件中相变材料在电极处分布薄，在中心区域分布厚，可以保证电极和相变材料接触面积小的同时，进一步提高电流密度，降低功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微纳电子学
尤其是一种相变存储单元结构、制备方法以及相变存储阵列制备方法。
技术介绍
相变存储器技术是基于0vshinsky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"O"态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升 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，从减小操作电流的目的出发，国际上的多数研究机构不断地尝试开发 新型的相变存储器器件结构，一方面是在纵向结构中减少电极和相变材料的接触面 积，提高电流密度，进而提高加热效率，降低功耗(如JJAP 48(2009)064505)，另一方 面采用横向结构制造相变存储器器件(如Nat Mater，2005(4)347， CHIN. PHYS. LETT. Vol. 25No. 11(2008)4174)。其中横向相变单元阵列和现有OUM器件单元相比，在工艺上更 简单，对电极材料的限制较少。但在横向结构中，横向尺寸较大，电极之间的宽度在5000nm 以上，集成度不能做的很高，限制了器件的高密度发展。 鉴于此，有必要设计一种新的相变存储器单元结构以解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种相变存储单元结构、制备方法以及相变存 储阵列制备方法，有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案一种相变存储单元结构，该结3构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。 本专利技术进一步包括一种相变存储单元结构的制备方法，该方法包括以下步骤 1)在硅片上沉积Si02 ; 2)在Si02上刻蚀沟槽，形成电极图形； 3)填充电极； 4)在电极上沉积相变材料形成相变材料层； 5)然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度； 6)填充介质材料使相变存储单元之间隔离。 本专利技术还包括一种二极管驱动相变存储阵列的制备方法，其包括以下步骤 A、在硅片上依次制备外围电路、字线以及位线； B、将包含外围电路、字线以及位线的硅片表面平坦化； C、制备含有PN结的外延片； D、将表面平坦化的硅片和含有PN结的外延片键合； E、之后在步骤D获得的结构上沉积Si(^，然后在Si02上刻蚀沟槽，然后填充金属 电极； F、在金属电极上沉积相变材料，然后采用RIE刻蚀形成相变材料层的中间部分的 厚度大于接触部的厚度； G、接着填充介质材料使相变存储单元之间隔离； H、用化学机械抛光将在步骤G之后获得的结构表面平坦化，然后重复前述C-E步 骤n次，n大于2，形成二极管驱动相变存储阵列。 本专利技术的相变存储单元采用三维结构，外围电路全部埋置于相变存储阵列下面， 使得外围电路面积不会影响整个芯片的面积，相变存储阵列位于外围电路的上方，布满整 个芯片，最大程度利用了芯片的面积，提高器件密度。器件结构采用横向结构，比起纵向结 构，在实现同样的结构图形的情况下，简化工艺。器件中相变材料在电极处分布薄，在中心 区域分布厚，可以保证电极和相变材料接触面积小的同时，进一步提高电流密度，降低功 耗。附图说明 图la是现有横向结构的相变存储器的三维图；lb是现有横向结构的相变存储器 沿着II'线在yz平面上的剖面图； 图2a是实施例一中本专利技术中的横向结构的相变存储器的三维图；图2b是实施例 一中本专利技术中的横向结构的相变存储器沿着II'线在yz平面上的剖面图。 图3是实施例一相变存储器的结构示意图。 图4a是在现有横向结构中施加1. 02mA使得器件最高温度Tmax在950K时等分温 度20份的等温线图；图4b在实施例一的结构中，施加0. 75mA使得器件最高温度Tmax在 950K等分温度20份的等温线图。 图5现有结构和实施例一横向结构的器件电阻和电流的关系曲线图。 图6本专利技术实施例一中相变存储单元工艺过程图。4 图中主要标记说明 11现有横向结构三维图中的电极W 12现有横向结构三维图中的相变材料GST 13现有横向结构三维图中的电极W 14，16现有横向结构II '截面中的电极W 15现有横向结构I1 '截面中的电极相变材料GST 17现有横向结构I1 '截面中的介质材料Si02 21实施例一中的电极W 22实施例一中的相变材料GST 23实施例一中的电极W 24， 46实施例一中的电极W 25， 47实施例一中的相变材料GST 26， 48实施例一中的电极W 27，49实施例一中的介质材料Si02 31实施例二中的电极W 32实施例二中的相变材料GST 33实施例二中的电极W 34实施例二中的介质材料Si02 35实施例二中的介质材料Si02 36实施例二中的二极管 37实施例二中的外围电路 38实施例二中的技术材料位线 39实施例二中的技术材料字线 41，43现有横向结构中的电极W 42现有横向结构中的相变材料GST 44现有横向结构中的介质材料Si02 45现有横向结构中的等温线 50实施例一中的等温线具体实施例方式请参照图2a至2b所示， 一种相变存储单元结构，其特征在于该结构包括一对共 面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极 接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。该厚度是指相变 材料层在图l(a)所述的z方向上的高度。即中间的高度大于两边的高度。 在本专利技术中优选的一个实施例为所述相变材料层为三棱柱，其沿z方向的截面 (图la或2a中沿II'方向剖开)为等腰三角形或等边三角形。 所述的相变存储结构和现有的横向结构图la至lb相比，相变材料层表现为中间 部分和边本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储单元结构，其特征在于：该结构包括一对共面的、分开的电极；以及所述共面的电极之间的相变材料层，该相变材料层两端分别与电极接触，形成接触部，所述相变材料层的中间部分的厚度大于接触部的厚度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚岳峰，宋志棠，凌云，吕世龙，刘燕，李宜瑾，
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]