[发明专利]一种降低相变存储器单元操作功耗的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种采用电介质作为缓冲层以降低相变存储器单元操作功耗的方法，该方法完全满足硅集成工艺的技术要求。

背景技术

相变存储器(PCM)主要是利用某些材料在特定的电流脉冲之下会具有快速且可逆的相变化效应，进而导致材料在某些特性上的稳定改变來达到存储效果，此外其最终的状态并不会随着外加能量的消失而改变，因此具有非挥发性的特点。PCM技术凭借其在读取速度、可靠度、非破坏性读取、非挥发性、尺寸微小化以及成本方面的优势，已被公认为最有潜力取代传统的DRAM技术及Flash闪存技术成为主流的存储器技术之一。目前采用的最为成熟的相变材料为Ge₂Sb₂Te₅(GST)合金，最为常见的相变存储器单元(PCM cell)结构为以W为加热电极的T型结构。但在传统的T型结构中，W电极直接与相变材料接触，而W具有很高的热导率(174W/m·K)，如此高的热导率一方面导致热量大量向四周扩散，热能利用率不高，S.M.Sadeghipour等人的计算发现真正用于相变的能量仅占总能量的0.2～1.4％(S.M.Sadeghipour，L.Pileggi，and M.Asheghi，Phase Change Random Access Memory，Thermal Analysis，The TenthIntersociety Conference on ITHERM(IEEE)，New York，2006，660-665)；另一方面电极与相变材料之间的界面处无法很好的聚集热量，导致相变材料中温度最高的区域不是集中在界面处，而是处于电极的上端，这种加热方式将会导致“晶化走廊”的出现，为消除“晶化走廊”对整个器件RESET态电阻的影响，势必要消耗额外的功耗。

随着信息技术产业对相变存储器产品需求的日益增加，实现PCM cell与现有CMOS工艺集成是非常关键的，因此，也就急需进一步降低PCM cell的操作功耗。目前，降低PCM cell的操作电流/电压的主要方法有：(1)改良器件结构，减小相变材料与电极之间的接触面积；(2)优化相变薄膜层与电极的尺寸；(3)相变材料开发与掺杂改性，如降低相变材料熔点或增加电阻提高自加热能力从而降低操作电流；(4)植入其它材料的加热介质辅助提高器件加热效率，降低功耗。其中，在底W电极与相变材料之间植入薄薄的一层加热层以升高相变材料层中的温度的方法具有制程简便，可操作性强并且不需要改变传统的T型结构的特点。而目前对于加热层材料的研究大量集中在一些金属氧化物或氮氧化物上，如文献M.H.Jang et al.StructuralStability and Phase-Change  Characteristics  of  Ge₂Sb₂Te₅/SiO₂ Nano-Multilayered  Films，Electrochemical and Solid-State Letters，2009，12(4)，H151-H154公开的SiO₂；文献C.Xu，Z.Song，B.Liu，S.Feng，and B.Chen，Lower current operation of phase change memory cell with a thinTiO₂ layer，Appl.Phys.Lett.2008，92，062103公开的TiO₂；文献Y. Matsui et al.Ta2O5 InterfacialLayer between GST and W Plug enabling Low Power Operation of Phase Change Memories，Tech.Dig.Int.Electron Devices Meet.2006，769-772公开的Ta₂O₅；文献P.K.Wong，J.E.Evetts，and M.G. Blamire，High conductance magnetoresistive tunnel junctions with multiply oxidized barrier，J.Appl.Phys.1998，83，6697-6699公开的Al₂O₃；文献D.H.Kang et al.Voltage Operation of a PhaseChange Memory Device with a ighly Resistive TiON Layer，Jpn.J.Appl.Phys.2004，Part 2(43)，5243-5244公开的TiON等，这些材料具有低的热导率(1-2W/m·K量级)和较高的电阻率(0.01-1Ω·cm量级)，可以有效地减少热扩散现象并提高产热效率，但这些加热层材料需要很好的控制厚度以防止被击穿而导致界面效应失效。因此进一步寻找新的加热层材料体系以降低PCM cell的操作功耗是十分必须的。