[發(fā)明專利]相變存儲單元器件的復合電極結構

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810042218.8
• 申請日: 2008-08-29
• 公開（公告）號: CN101661992A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發(fā)明（設計）人: 宋志棠;丁晟;劉波;凌云;陳小剛;蔡道林;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24;G11C16/02;G11C11/56
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發(fā)明涉及相變存儲器單元的復合電極結構，通過改進后的復合電極結 構，可提高器件的加熱效率，降低操作電流，減小功耗，提高成品率及數(shù)據(jù) 保持力，增加讀寫次數(shù)，提高相變材料制備工藝與CMOS工藝的可集成性。屬 于微納電子學技術領域。

背景技術

相變存儲器技術是基于Ovshinsky在20世紀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 變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，是一種價格便宜、性能 穩(wěn)定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關鍵材料是可記錄 的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材的研究熱點也就圍繞其 器件工藝展開：器件的物理機制研究，包括如何減小器件料等。相變存儲器 的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多 晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低阻，可以 實現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。

相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、 功耗低、抗強震動和抗輻射等優(yōu)點，被國際半導體工業(yè)協(xié)會認為最有可能取 代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器 件。

相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的 電壓或電流脈沖信號：擦操作(RESET)，當加一個短且強的脈沖信號使器件 單元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實現(xiàn)相 變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉換，即“1”態(tài)到“0”態(tài)的轉換；寫操作(SET)， 當施加一個長且中等強度的脈沖信號使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結 晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長，從而實現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的 轉換，即“0”態(tài)到“1”態(tài)的轉換；讀操作，當加一個對相變材料的狀態(tài)不 會產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀 態(tài)。

目前世界上從事相變存儲器研發(fā)工作的機構大多數(shù)是半導體行業(yè)的大公 司，他們關注的焦點都集中在如何盡快實現(xiàn)相變存儲器的商業(yè)化上，因此三 個重要問題亟待解決：1.功耗問題。根據(jù)文獻報道，在相變存儲過程中，85 ％的熱量被耗散，只有約15％的熱量被用于相變，這是現(xiàn)在相變存儲器低功 耗，高速度的一個制約因素。2.成品率問題。相變存儲材料在操作過程中由 于密封性問題，材料原子會擴散，從而造成了材料成分不穩(wěn)定，影響了成品 率和讀寫操作次數(shù)。另一方面，為了降低功耗，相變存儲器件應經(jīng)過退火被 初始化到結晶態(tài)。在退火過程中會產(chǎn)生相變薄膜材料的縮水(shrink)，從而 造成相變薄膜材料與頂層金屬粘附性差的問題，影響了相變存儲器的成品率。 3.與CMOS工藝集成性。這一點直接影響到相變存儲器的制備成本，與相變 存儲器產(chǎn)業(yè)的利潤直接掛鉤，任何有助于使相變存儲單元制備集成到CMOS 工藝中的努力都是業(yè)界極為渴望的。以上三點正是本發(fā)明的三個出發(fā)點。

發(fā)明內容

本發(fā)明涉及一種變存儲單元器件的復合電極結構。其特點在于：1.相 變存儲單元的下方有一個面積較小的加熱電極和一個或多個面積較大的引 流大電極；2.可逆相變區(qū)域被嚴格控制在較小的電極周圍；3.可逆相變區(qū) 域外的相變材料處于結晶與穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)穩(wěn)定和較高的電導率；4.整個 相變存儲單元的相變材料除電極外均被高密度的SiO₂等介質材料包覆；5. 可用SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅、ZrO₂和GaN中的任意一種作為電 極與相變材料間的過渡層材料，一方面進一步減小讀、寫操作期間相變存儲 單元的熱擴散，提高加熱效率，降低操作電流，減小功耗；同時防止原子擴 散，保證相變材料成分的穩(wěn)定；而且通過優(yōu)化其電極或過渡層材料，有效地 提高可逆相變區(qū)域材料的成核生長速率，提高存儲速度與加熱效率，使脈沖 信號產(chǎn)生的加熱中心進一步接近小電極附近，提高可逆相變區(qū)域與小電極接 觸的有效性與可重復性；也能夠徹底解決因退火而產(chǎn)生的相變材料與頂層金 屬粘附性差的問題，提高成品率及數(shù)據(jù)保持力，增加讀寫次數(shù)；同時可以簡 化工藝布驟，提高相變材料制備工藝與CMOS工藝的可集成性。