[發明專利]多態相變存儲器單元器件及制備方法

有效

• 申請號: 200910047721.7
• 申請日: 2009-03-17
• 公開（公告）號: CN101510584A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 宋志棠;凌云;龔岳峰;劉波;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及一種相變存儲器單元器件及制備方法，特別涉及一種多態相變存儲器單元器件及制備方法。

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。相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強震動和抗輻射等優點，被國際半導體工業協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品和最先成為商用產品的器件。作為一種價格便宜、性能穩定的存儲器件，其可以做在硅晶片襯底上，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料，因此，研究的熱點也就圍繞其器件工藝展開，包括：器件的物理機制研究，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與多晶態之間發生可逆相變，通過分辨非晶態時的高阻與多晶態時的低阻，可以實現信息的寫入、擦除和讀出操作。例如，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，再經過快速冷卻從而實現相變材料多晶態到非晶態的轉換，即“1”態到“0”態的轉換；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，從而實現非晶態到多晶態的轉換，即“0”態到“1”態的轉換；讀操作，當加一個對相變材料的狀態不會產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。由此可實現對相變存儲器的讀寫操作等。

目前世界上從事相變存儲器研發工作的機構大多數是半導體行業的大公司，他們關注的焦點都集中在如何盡快實現相變存儲器的商業化上，因此相應的操作電流，即降低功耗；器件結構設計和存儲機理研究等；高密度器件陣列的制造工藝研究，包括如何實現器件單元的納米尺度化問題、高密度器件芯片的工藝問題、器件單元的失效問題等，都成為研究的重點，而其中非常關鍵和重要的是器件功耗的降低，因為相變存儲器器件單元的相變過程最終要靠金屬互補氧化物半導體管的驅動來實現，為了實現與高密度存儲芯片中的CMOS管功率相匹配，必需降低器件的功耗。降低器件功耗的方法有：減小電極與相變材料的接觸面積；提高相變材料的電阻；在電極與相變材料之間或相變材料內部添加熱阻層等等。但是這些方法在加熱效率上都不夠高，不能很好滿足目前器件的要求。根據文獻報道，在相變存儲器中85％的熱量被耗散，只有約15％的熱量被用于相變，這是現在相變存儲器低功耗，高速的一個制約因素。而且，文獻還報道不同結構的相變存儲器(PCRAM)有不同的RESET電流，而RESET電流與結構中熱量的利用率有關系，即：熱量利用率高的結構，RESET電流小。