[发明专利]一种硫属相变存储器CRAM存储元

说明书

技术领域

本发明属于存储器CRAM存储元的结构，更具体而言，是一种硫属相变存储器CRAM存储元。

背景技术

硫属相变存储器CRAM(Chalcogenide-based phase-change RAM)，是以硫属化合物为存储介质，通入电流产生焦耳热使硫属化合物发生可逆性结构相变，利用其晶态和非晶态之间高达四个数量级的阻抗差来实现二进制信息存储的半导体随机存取存储器。研究比较成熟的可用于CRAM的硫属化合物多为Ge₂Sb₂Te₅，简称GST。当外部脉冲电路给以短时间、高脉冲电流时，GST薄膜达到熔点，随后急剧冷却，GST变成非晶态，呈现出高阻抗值，此时记录信息“0”(或“1”)；当给以长时间、低脉冲电流时，GST薄膜处于玻璃化温度和熔化温度之间，并保持一段时间，GST变成晶态，呈现出低阻抗值，此时记录信息“1”(或“0”)；当给薄膜通入较低的读电流，此时GST温度在玻璃化温度以下，不足以改变GST的薄膜的结构相，通过探测GST存储元的阻抗值大小来读出二进制信息“0”或“1”。温度随时间变化图(Ovonyx公司技术资料)如图1所示。

硫属相变存储器CRAM具有非易失性、可多态存储、读写信息速度快、使用寿命长、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存储器等特点。由于其存储机理与材料带电粒子的状态无关，使其具有抗电子干扰、抗强辐射的优点，能满足航天和国防需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。

目前，Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi、IBM、Philips、British Aerospace等大公司在开展硫属相变存储器CRAM存储器的研究，并于2004年初采用0.18μm工艺制备出64M的存储器测试样片，以及利用传统工艺技术和U形槽结构构建出2D结构，美国空军也正斥巨资研究CRAM以装备其天基雷达，2006年初Samsung公司采用0.12μm工艺制作了256M测试样片。国内主要是中科院上海微系统所及少数重点高校在进行CRAM的深入研究，而且CRAM芯片关键技术已列入863计划“十一五”规划。

硫属相变存储器CRAM存储元的结构也得到国内外越来越多的关注。其基本结构是由上下电极及加热层对硫属相变材料层进行加热操作而构成的简单拓扑的薄膜结构的二端结构，见图2。此结构主要利用较小尺寸的加热层形成较大的电流密度，对GST层进行局部加热，以实现低功率下的结构相转换，达到二进制信息存储的目的。由于加热层受到材料特性和工艺条件即最小线宽的制约，到目前为止研究人员对存储元结构进行了较大的改进，以便在相同的工艺条件下，尽可能地增大电流密度以减小电流，优化器件性能。如Samsung公司的底部接触和边缘接触法、Bolivar等人的相变线存储元结构、Carnegie Mellon大学的“I”形结构等都有了较多的理论探讨。

这些新的结构已经使存储元的性能得到了客观的改善，但依然存在着可以进一步提升的空间，其主要存在于：尽管已经制作出了硫属相变存储器CRAM测试样片，但是在实际测试时电流依然偏高，功率消耗大，难以实现产品化；在结构设计时，基本没有将作为字线选择开关的n-MOS晶体管作为重要因素加以考察，而且存储元制作工艺相对较复杂；没有考虑加热之后的温度分布，是否会超过CMOS的温度承受能力；没有合理利用GST除了相变特性之外的隔热性能；从目前的热计算模拟来看，通常使用的加热层材料W、TiN等无法在1mA左右的电流脉冲下使GST发生能够识别的结构相变。

发明内容

本发明的目的是提供一种将电阻率较高且尺寸小于相变材料尺寸的加热材料置于两层GST之间的“工”形存储元结构的硫属相变存储器CRAM存储元，一方面实现双面加热合理利用加热层的加热功能提高加热效率；另一方面除了利用GST的可逆性结构相变存储二进制信息之外还合理利用其热导率较小的特性起到隔热作用，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明的特点是：其材料层从下到上依次为：下电极(W、Ti或TiN)；第一相变层(GST)；加热层；第二相变层(GST)和上电极(A1)。

上述加热层尺寸小于相变层，第一相变层(GST)、加热层、第二相变层(GST)形成“工”形结构。

上述下电极直接连接n-MOS晶体管的漏极D，即n型层，其中n-MOS晶体管的源极S通过电极直接接地，栅极接存储器的字线，或先接栅极电极，栅极电极再接字线。