[發明專利]一種相變存儲器單元及其制備方法

有效

• 申請號: 202011608134.3
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112635667B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 鐘旻;李銘;馮高明
• 申請（專利權）人: 上海集成電路裝備材料產業創新中心有限公司;上海集成電路研發中心有限公司
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;陳慧弘

一種相變存儲器單元及其制備方法，其從下到上依次包括位于襯底上的底電極、相變單元、加熱電極和頂電極；其中，相變單元為縱向連接設置于底電極上的柱體，其由內而外依次設置有柱形相變材料層、環形散熱層和環形選擇器件層；頂電極與加熱電極和相變材料層依次連接，環形選擇器件層連接底電極。因此，本發明通過采用散熱層包覆相變電阻層使電流密度和熱量分布更加集中，從而固定相變有效操作區域，使相變電阻層有效區域體積減小，降低了器件功耗；同時，散熱層與相變電阻層非有效操作區域的接觸面積增大，減小非有效操作區域的熱量聚集，降低非有效區域轉化為有效區域的可能，提高器件可靠性。

技術領域

本發明屬于半導體集成電路制造工藝技術領域，尤其涉及一種相變存儲器單元及其制備方法。

背景技術

隨著大數據、物聯網、云計算和人工智能等一系列的新型信息技術的出現，對存儲器提出了高讀寫速度、低功耗、高存儲密度、長使用壽命和高可靠性等要求。目前，以相變存儲器為代表的新型存儲技術正在逐漸替代傳統的動態儲存單元(Dynamic RAM，DRAM)和閃存(Flash EEPROM Memory，Flash)，且在人工智能和存算一體芯片領域的應用前景廣闊。

相變存儲器(Phase Change Memory，簡稱PCM)，相變存儲器就是利用特殊材料在晶態和非晶態之間相互轉化時所表現出來的導電性差異來存儲數據的。具體地，相變存儲器通常是利用硫族化合物在晶態和非晶態巨大的導電性差異來存儲數據的一種信息存儲裝置。

請參閱圖1，圖1所示為現有技術中相變存儲器單元結構的示意圖。如圖1所示，現有的相變存儲器單元結構為1個相變開關+1個相變電阻(1OTS+1R)的垂直堆疊結構(以英特爾X-point技術為例)，自下而上由底電極01、選擇器件層02、阻擋層03、相變材料層04和頂電極05組成。

如圖2所示，對于相變材料層04而言，發生相變只是靠近界面的半圓形區域，稱為相變有效操作區域。相變材料層04的相變材料初始態為晶態，在進行寫操作后，相變材料層04中的相變有效操作區域由晶態轉變為非晶態，而相變材料層04中的其他大部分區域仍為晶態。但是，在相變單元反復操作過程中，當操作電壓V為大于相變開關的閾值電壓，但小于相變電阻的操作電壓時(VotsVVset)，熱量會持續聚集在相變電阻層04，這會導致器件操作時，非相變有效操作區域可能會發生相變，造成相變電阻不穩定，產生器件可靠性問題。

因此，業界需要一種新型的相變存儲器單元結構，來解決相變電阻中有效操作區域體積變化的問題，提升相變存儲器件的可靠性。

發明內容

針對現有技術能力的不足，本發明提出了提供一種相變存儲器單元及其制備方法，以有效提高相變存儲器單元的器件性能和可靠性。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種相變存儲器單元，其從下到上依次包括：位于襯底上的底電極、相變單元、加熱電極和頂電極；其中，

所述相變單元為縱向連接設置于所述底電極上的柱體，其由內而外依次設置有柱形相變材料層、環形散熱層和環形選擇器件層；所述頂電極與所述加熱電極和所述柱形相變材料層依次連接，所述環形選擇器件層連接所述底電極，其中，所述相變單元的柱體截面為圓形、橢圓形、矩形菱形或多邊形。

進一步地，所述加熱電極與柱形相變材料層一個接觸面相連，所述環形散熱層和所述環形選擇器件層依次包覆所述柱形相變材料核的剩余接觸面，其中，所述加熱電極縱向設于柱形相變材料層的頂部表面上，所述加熱電極的底部形狀位于柱形相變材料層頂部表面的范圍內，所述加熱電極的頂部連接在所述頂電極的下端。