[發明專利]一種硫屬相變存儲器CRAM存儲元

無效

• 申請號: 200710168408.X
• 申請日: 2007-11-22
• 公開（公告）號: CN101159313A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 王嘉賦;向宏酉;李娟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;G11C11/56
• 代理公司: 武漢開元專利代理有限責任公司
• 代理人: 潘杰

技術領域

本發明屬于存儲器CRAM存儲元的結構，更具體而言，是一種硫屬相變存儲器CRAM存儲元。

背景技術

硫屬相變存儲器CRAM(Chalcogenide-based?phase-change?RAM)，是以硫屬化合物為存儲介質，通入電流產生焦耳熱使硫屬化合物發生可逆性結構相變，利用其晶態和非晶態之間高達四個數量級的阻抗差來實現二進制信息存儲的半導體隨機存取存儲器。研究比較成熟的可用于CRAM的硫屬化合物多為Ge₂Sb₂Te₅，簡稱GST。當外部脈沖電路給以短時間、高脈沖電流時，GST薄膜達到熔點，隨后急劇冷卻，GST變成非晶態，呈現出高阻抗值，此時記錄信息“0”(或“1”)；當給以長時間、低脈沖電流時，GST薄膜處于玻璃化溫度和熔化溫度之間，并保持一段時間，GST變成晶態，呈現出低阻抗值，此時記錄信息“1”(或“0”)；當給薄膜通入較低的讀電流，此時GST溫度在玻璃化溫度以下，不足以改變GST的薄膜的結構相，通過探測GST存儲元的阻抗值大小來讀出二進制信息“0”或“1”。溫度隨時間變化圖(Ovonyx公司技術資料)如圖1所示。

硫屬相變存儲器CRAM具有非易失性、可多態存儲、讀寫信息速度快、使用壽命長、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存儲器等特點。由于其存儲機理與材料帶電粒子的狀態無關，使其具有抗電子干擾、抗強輻射的優點，能滿足航天和國防需求，是目前國內外重點研制的新型存儲器。

目前，Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi、IBM、Philips、British?Aerospace等大公司在開展硫屬相變存儲器CRAM存儲器的研究，并于2004年初采用0.18μm工藝制備出64M的存儲器測試樣片，以及利用傳統工藝技術和U形槽結構構建出2D結構，美國空軍也正斥巨資研究CRAM以裝備其天基雷達，2006年初Samsung公司采用0.12μm工藝制作了256M測試樣片。國內主要是中科院上海微系統所及少數重點高校在進行CRAM的深入研究，而且CRAM芯片關鍵技術已列入863計劃“十一五”規劃。

硫屬相變存儲器CRAM存儲元的結構也得到國內外越來越多的關注。其基本結構是由上下電極及加熱層對硫屬相變材料層進行加熱操作而構成的簡單拓撲的薄膜結構的二端結構，見圖2。此結構主要利用較小尺寸的加熱層形成較大的電流密度，對GST層進行局部加熱，以實現低功率下的結構相轉換，達到二進制信息存儲的目的。由于加熱層受到材料特性和工藝條件即最小線寬的制約，到目前為止研究人員對存儲元結構進行了較大的改進，以便在相同的工藝條件下，盡可能地增大電流密度以減小電流，優化器件性能。如Samsung公司的底部接觸和邊緣接觸法、Bolivar等人的相變線存儲元結構、Carnegie?Mellon大學的“I”形結構等都有了較多的理論探討。

這些新的結構已經使存儲元的性能得到了客觀的改善，但依然存在著可以進一步提升的空間，其主要存在于：盡管已經制作出了硫屬相變存儲器CRAM測試樣片，但是在實際測試時電流依然偏高，功率消耗大，難以實現產品化；在結構設計時，基本沒有將作為字線選擇開關的n-MOS晶體管作為重要因素加以考察，而且存儲元制作工藝相對較復雜；沒有考慮加熱之后的溫度分布，是否會超過CMOS的溫度承受能力；沒有合理利用GST除了相變特性之外的隔熱性能；從目前的熱計算模擬來看，通常使用的加熱層材料W、TiN等無法在1mA左右的電流脈沖下使GST發生能夠識別的結構相變。

發明內容

本發明的目的是提供一種將電阻率較高且尺寸小于相變材料尺寸的加熱材料置于兩層GST之間的“工”形存儲元結構的硫屬相變存儲器CRAM存儲元，一方面實現雙面加熱合理利用加熱層的加熱功能提高加熱效率；另一方面除了利用GST的可逆性結構相變存儲二進制信息之外還合理利用其熱導率較小的特性起到隔熱作用，以克服上述的不足。

為了實現上述目的，本發明的特點是：其材料層從下到上依次為：下電極(W、Ti或TiN)；第一相變層(GST)；加熱層；第二相變層(GST)和上電極(A1)。

上述加熱層尺寸小于相變層，第一相變層(GST)、加熱層、第二相變層(GST)形成“工”形結構。

上述下電極直接連接n-MOS晶體管的漏極D，即n型層，其中n-MOS晶體管的源極S通過電極直接接地，柵極接存儲器的字線，或先接柵極電極，柵極電極再接字線。