[發(fā)明專(zhuān)利]高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110779718.5
• 申請(qǐng)日: 2021-07-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113571544A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷心晴;王大偉;趙文生
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L27/24
• 分類(lèi)號(hào): H01L27/24
• 代理公司: 浙江千克知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發(fā)明屬于存儲(chǔ)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)，包括單元；單元包括芯骨，芯骨的相對(duì)兩面或周向四面向外依次設(shè)置有相變材料層、溝道層、多晶硅層、門(mén)電極；數(shù)個(gè)單元通過(guò)三維堆疊成n×n×n的陣列結(jié)構(gòu)，高度方向上相互堆疊的n個(gè)單元構(gòu)成一條存儲(chǔ)器鏈；還包括選通電路，位于存儲(chǔ)器鏈底端單元與選通電路連接；選通電路包括芯骨，芯骨的相對(duì)兩面或周向壁面外依次設(shè)置有溝道層、多晶硅層、門(mén)電極；選通電路的芯骨、溝道層、多晶硅層均為存儲(chǔ)器鏈底端的單元沿其高度方向向下延伸而成；選通電路的門(mén)電極與其對(duì)應(yīng)單元的門(mén)電極結(jié)構(gòu)相同。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度，同時(shí)不會(huì)有明顯熱串?dāng)_，保證存儲(chǔ)器件可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于存儲(chǔ)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)需要存儲(chǔ)和處理的信息量日益增大，人們對(duì)于高性能、大容量存儲(chǔ)設(shè)備的需求日益增大。當(dāng)下的主流存儲(chǔ)設(shè)備基本分為兩類(lèi)：易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，二者以掉電后信息能否保存加以區(qū)分。本文中所涉及的相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory，PCM)即一種新興的非易失性存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)消失。此外，相變存儲(chǔ)器還具有高集成度、低靜態(tài)功耗、可字節(jié)尋址等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中備受關(guān)注，被認(rèn)為是最有可能替代DRAM的存儲(chǔ)介質(zhì)之一。

多年來(lái)，研究人員提出了多種不同的PCM結(jié)構(gòu)，如蘑菇形結(jié)構(gòu)和垂直電極結(jié)構(gòu)等，其中最廣為接受的莫過(guò)于蘑菇形單元。最基本的PCM單元是由上、下電極以及電極之間的GST薄層和加熱細(xì)絲構(gòu)成，GST材料和加熱細(xì)絲構(gòu)成了單元的主體部分。蘑菇結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱器與相變材料直接接觸，這樣有助于最大程度的減少熱損失。但其不足就是每個(gè)單元中只有一個(gè)相變材料區(qū)域，而且尺寸較大，因此如果想存儲(chǔ)較多數(shù)據(jù)就需要規(guī)模龐大的陣列，陣列的尺寸也會(huì)非常大，限制了其集成度的發(fā)展。而且在陣列工作時(shí)，其熱串?dāng)_問(wèn)題也比較嚴(yán)重，造成存儲(chǔ)器可靠性的下降。根據(jù)3D XPoint架構(gòu)，可以得到典型的PCM陣列的堆疊結(jié)構(gòu)分為共字線(xiàn)、共比特線(xiàn)兩種，如果是垂直電極，則還有交叉電極陣列結(jié)構(gòu)。

想使PCM單元發(fā)生相變，則需要較大的輸入電流，通過(guò)自熱效應(yīng)來(lái)完成有源區(qū)升溫。在寫(xiě)入的過(guò)程中，GST區(qū)域溫度將會(huì)達(dá)到熔點(diǎn)，而在集成密度日益增高的存儲(chǔ)器陣列中，一個(gè)區(qū)域的溫度升高將會(huì)由于熱擴(kuò)散造成其周?chē)鷾囟纫采撸绻闆r嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致相鄰單元發(fā)生相變，引起信息錯(cuò)誤，使存儲(chǔ)器器件本身及相鄰器件的性能及可靠性下降。

綜上，本發(fā)明提出一種高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)，并通過(guò)一個(gè)基于時(shí)域有限元方法和區(qū)域分解方法的自主開(kāi)發(fā)的電熱耦合仿真器來(lái)研究相變過(guò)程中PCM單元及陣列的電學(xué)特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

高集成度相變存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)，包括單元；單元包括芯骨，芯骨的相對(duì)兩面或周向四面外均依次設(shè)置有相變材料層、溝道層、多晶硅層、門(mén)電極；數(shù)個(gè)單元通過(guò)三維堆疊成n×n×n的陣列結(jié)構(gòu)，高度方向上相互堆疊的n個(gè)單元構(gòu)成一條存儲(chǔ)器鏈；還包括選通電路，位于存儲(chǔ)器鏈底端的單元與選通電路連接；選通電路包括芯骨，芯骨外依次設(shè)置有溝道層、多晶硅層、門(mén)電極；選通電路的芯骨、溝道層、多晶硅層均為存儲(chǔ)器鏈底端的單元沿其高度方向向下延伸而成；選通電路的門(mén)電極與其對(duì)應(yīng)單元的門(mén)電極結(jié)構(gòu)相同。還包括二極管選通器、位線(xiàn)、電極與字線(xiàn)；選通電路的底端與二極管選通器連接，二極管選通器與字線(xiàn)連接；位于存儲(chǔ)器鏈頂端單元的溝道層與電極連接，電極與位線(xiàn)連接。

進(jìn)一步地，選通電路的芯骨厚度為其對(duì)應(yīng)單元的芯骨厚度與相變材料層厚度之和。

進(jìn)一步地，相變材料層、溝道層、多晶硅層的高度均與芯骨高度相等，門(mén)電極位于多晶硅層高度的中間位置。

進(jìn)一步地，芯骨周向四面的門(mén)電極包圍成周狀。