[發明專利]相變隨機存取存儲器的存儲單元

有效

• 申請號: 201010524974.1
• 申請日: 2010-10-29
• 公開（公告）號: CN102456831A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 吳關平;徐成;劉燕
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;H01L27/24
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;謝栒

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種相變隨機存取存儲器（PCRAM）的存儲單元。

背景技術

相變材料（例如Ge-Sb-Te相變材料）通過電脈沖引起的局部發熱而將其相態轉變為晶態和非晶態，相變隨機存取存儲器就是利用這一特性存儲二進制信息的半導體器件。相變隨機存取存儲器是基于電阻的存儲器，通過相變材料在晶態和非晶態間的轉換而相應呈現低阻和高阻的電阻特性來達到存儲二進制信息的目的。在相變隨機存取存儲器中，存儲二進制信息的存儲單元包括相變材料層和電極。

圖1A是現有技術的相變隨機存取存儲器的存儲單元的結構圖。如圖1A所示，其中包括：頂部電極101、相變材料層102和底部電極103。不同強度的電流流經相變材料層102，通過電流流過相變材料層102所產生的熱效應將相變材料由晶態（SET態）轉變為非晶態（RESET態），即可以對相變材料進行復位（RESET）操作。而將相變材料由非晶態轉變為晶態的操作相應稱為SET。當進行SET操作時，需要施加一個長且強度中等的電壓或電流脈沖，使相變材料的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間(一般大于50?ns)，使相變材料由非晶態轉化為晶態，由高阻變為低阻。當進行RESET操作時，需要施加一個短而強的電流脈沖，將電能轉變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷卻就可以實現相變材料的由晶態向非晶態的轉化，即由低阻變為高阻，從而實現基于電阻的存儲器功能。

由于RESET操作需要使相變材料的溫度升高到融化溫度以上，因此其需要的電流脈沖較高。而相應較高的電流脈沖會給由大量存儲單元構成的相變隨機存取存儲器帶來發熱量大的問題，進而會給相變隨機存取存儲器和使用相變隨機存取存儲器的電路帶來功耗高、不穩定的因素，影響相變隨機存取存儲器和使用相變隨機存取存儲器的電路的性能。因此，如何有效地降低相變隨機存取存儲器的RESET電流就成為亟待解決的問題。

現有技術降低相變隨機存取存儲器的RESET電流的方法有以下幾種：第一種方法是對相變材料進行改進，使相變材料的由晶態向非晶態轉化的溫度降低。從而使較低的RESET電流所產生的熱量也能使相變材料由晶態轉化為非晶態，從而達到進行RESET操作的目的。這種方法的缺陷在于改變現有相變材料的由晶態向非晶態轉化的溫度的技術困難很大、成本很高，并且會影響相變材料的穩定性，很難在產業中應用。第二種方法是對相變材料的結構進行改進，例如將相變材料層改為多孔結構，從而增加RESET操作時單位相變材料流過的電流密度。這種方法的缺陷在于改變相變材料的結構的技術困難較大，相應降低的RESET操作的電流的幅度較小，同時需要在相變隨機存取存儲器制造工藝中相應增加很多工序，不但大幅增加了生產成本，并且其產品的品質也很難控制。第三種方法是減小底部電極103的接觸區域，進而增大RESET操作時單位相變材料流過的電流密度。這種方法的缺陷在于其受相變隨機存取存儲器的結構和制造工藝的限制，底部電極103的接觸區域不可能無限減小。同時現有技術所采用的相變隨機存取存儲器的結構會導致流過相變隨機存取存儲器的存儲單元的電流呈如圖1B所示的倒圓錐狀。此時流經相變材料層102的電流的分布就會不均勻，會產生高電流密度區102A和低電流密度區102B，高電流密度區102A流過的電流密度大，低電流密度區102B流過的電流密度小。這樣就導致相變材料層102的受熱不均，從而使降低相變隨機存取存儲器的RESET電流的效果十分有限。

因此，需要一種能夠有效且經濟地降低相變隨機存取存儲器的RESET電流的相變隨機存取存儲器的存儲單元，以降低相變隨機存取存儲器和使用相變隨機存取存儲器的電路的RESET電流和功耗。

發明內容

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。

為解決現有技術無法有效且經濟地降低相變隨機存取存儲器的RESET電流的問題，本發明提供了一種相變隨機存取存儲器的存儲單元，所述存儲單元包括相變材料層和柱狀同軸電極；所述柱狀同軸電極包括位于所述柱狀同軸電極的軸線位置的第一電極、嵌套在所述第一電極之外并與所述第一電極同軸的第二電極及填充在所述第一電極和所述第二電極之間的第一絕緣層；所述相變材料層與所述第一電極和所述第二電極的同一側連接。