[发明专利]相变存储单元器件的复合电极结构

说明书

技术领域

本发明涉及相变存储器单元的复合电极结构，通过改进后的复合电极结 构，可提高器件的加热效率，降低操作电流，减小功耗，提高成品率及数据 保持力，增加读写次数，提高相变材料制备工艺与CMOS工艺的可集成性。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，因此三 个重要问题亟待解决：1.功耗问题。根据文献报道，在相变存储过程中，85 ％的热量被耗散，只有约15％的热量被用于相变，这是现在相变存储器低功 耗，高速度的一个制约因素。2.成品率问题。相变存储材料在操作过程中由 于密封性问题，材料原子会扩散，从而造成了材料成分不稳定，影响了成品 率和读写操作次数。另一方面，为了降低功耗，相变存储器件应经过退火被 初始化到结晶态。在退火过程中会产生相变薄膜材料的缩水(shrink)，从而 造成相变薄膜材料与顶层金属粘附性差的问题，影响了相变存储器的成品率。 3.与CMOS工艺集成性。这一点直接影响到相变存储器的制备成本，与相变 存储器产业的利润直接挂钩，任何有助于使相变存储单元制备集成到CMOS 工艺中的努力都是业界极为渴望的。以上三点正是本发明的三个出发点。

发明内容

本发明涉及一种变存储单元器件的复合电极结构。其特点在于：1.相 变存储单元的下方有一个面积较小的加热电极和一个或多个面积较大的引 流大电极；2.可逆相变区域被严格控制在较小的电极周围；3.可逆相变区 域外的相变材料处于结晶与稳定状态，呈现稳定和较高的电导率；4.整个 相变存储单元的相变材料除电极外均被高密度的SiO₂等介质材料包覆；5. 可用SiO₂、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅、ZrO₂和GaN中的任意一种作为电 极与相变材料间的过渡层材料，一方面进一步减小读、写操作期间相变存储 单元的热扩散，提高加热效率，降低操作电流，减小功耗；同时防止原子扩 散，保证相变材料成分的稳定；而且通过优化其电极或过渡层材料，有效地 提高可逆相变区域材料的成核生长速率，提高存储速度与加热效率，使脉冲 信号产生的加热中心进一步接近小电极附近，提高可逆相变区域与小电极接 触的有效性与可重复性；也能够彻底解决因退火而产生的相变材料与顶层金 属粘附性差的问题，提高成品率及数据保持力，增加读写次数；同时可以简 化工艺布骤，提高相变材料制备工艺与CMOS工艺的可集成性。