[发明专利]相变存储器单元器件的结构的改进

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变存储器单元的结构的改进，通过改进后的结构，可提高器件的加热效率，降低器件的功耗。属于微纳电子学技术领域。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号可以使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。

目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，主要集中体现在①降低相应的操作电流，即降低功耗；②器件结构设计和存储机理研究等；③高密度器件阵列的制造工艺研究，包括如何实现器件单元的纳米尺度化问题、高密度器件芯片的工艺问题、器件单元的失效问题等几方面。其中器件的功耗降低是非常关键和重要的，因为相变存储器器件单元的相变过程最终要靠金属互补氧化物半导体管的驱动来实现的，为了实现与高密度存储芯片中的CMOS管功率相匹配，必需降低器件的功耗。目前，降低器件功耗的方法有：减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。但是所有这些方法在加热效率上都不够高，不能很好满足目前器件的要求。根据文献报道，在相变存储器中85％的热量被耗散，只有约15％的热量被用于相变，这是欲开发低功耗、高速的相变存储器一个制约因素。文献报道不同结构的PCRAM有不同的RESET电流，RESET电流与结构中热量的利用率有关系，热量的利用率高的结构，RESET电流小。从能量平衡的角度设计与优化新型器件结构是可行的方案之一，进一步提高热量用于相变的效率，降低器件功耗，这正是本发明的出发点。

发明内容