專利名稱：一種非對稱相變存儲器單元及器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于相變存儲技術(shù)，特別是涉及一種非對稱相變存儲器單元及器件。
背景技術(shù)：
相變存儲器技術(shù)是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)的硫系化合物的快速 可逆相變發(fā)展起來的。相變存儲器由于在數(shù)據(jù)讀寫速度、可擦寫次數(shù)、器件功耗、元件尺寸 和非揮發(fā)性等方面的顯著優(yōu)勢，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn)為是最有可能取代目前的閃存存 儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器的工作原理是利用電脈沖作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與 多晶體之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)的高阻與晶態(tài)的低阻來實現(xiàn)信息的寫入、擦除 和讀取操作。例如，寫入過程(reset)如果施加一個短而強(qiáng)的電壓脈沖，電能轉(zhuǎn)變成熱能， 使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻(約為幾個納秒)，可以使晶態(tài)的長程 有序遭到破壞，并把這種狀態(tài)保留下來，從而實現(xiàn)由晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，至此硫系化合物 的電阻大增，進(jìn)入高阻態(tài)；擦除過程(set)如果施加一個長且強(qiáng)度中等的電壓脈沖，硫系 化合物的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間，使硫系化合物由非 晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，進(jìn)入低阻狀態(tài)；數(shù)據(jù)讀取過程數(shù)據(jù)的讀取是通過測量硫系化合物的電 阻值來實現(xiàn)的，此時所加脈沖電壓的強(qiáng)度很弱，產(chǎn)生的熱能只能使硫系化合物的溫度升高 到結(jié)晶溫度以下，并不引起材料發(fā)生相變。傳統(tǒng)的T型對稱相變存儲器單元器件核心結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括下電極層 5、第一絕緣層4、相變層3、第二絕緣層2、及上電極層1，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為第一絕緣層4及第二 絕緣層2中小孔的中心軸線相互重合并與整個單元結(jié)構(gòu)的中心軸線重合。當(dāng)所述T型對稱 相變存儲器器件單元被通以reset脈沖時，下電極層5上的相變材料會發(fā)生相變，由晶態(tài)向 非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)所述T型對稱相變存儲器單元器件隨后被通以set脈沖時，下電極層5上 的相變材料就會從非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。這些變化引起所述T型對稱相變存儲器單元器件的 電阻值發(fā)生變化，由此即可實現(xiàn)信息的存儲。然而在上述工作過程中，用于相變材料發(fā)生可逆相變的熱量實際只占總熱量的大 約15%，這意味著脈沖電流提供的熱量中85%都被耗散掉了。這一方面嚴(yán)重阻礙了相變存 儲器單元器件功耗的降低，同時也由于單元器件發(fā)熱量過大而影響高密度器件單元陣列的 集成。因此，如何設(shè)計一種熱量利用率高的相變存儲器單元器件結(jié)構(gòu)以降低器件的功耗，已 成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。就目前而言，降低器件功耗的方法一般有減小電極 與相變材料的接觸面積；提高相變材料的電阻；在電極與相變材料之間或相變材料內(nèi)部添 加熱功能層等等。而本項發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于從器件結(jié)構(gòu)上入手，通過對T型對稱相變存儲 器單元器件結(jié)構(gòu)的改良來提高器件的熱量利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種非對稱相變存儲器單元及器件，由該存儲器單元構(gòu)成的存儲器器件具有較好的熱學(xué)性能，進(jìn)而能在保持器件原有性能的同時降低功耗。本發(fā)明提供的一種非對稱相變存儲器單元，其特征在于其膜層結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電材料的下電極層；處于所述下電極層表面的第一絕緣層，第一絕緣層開有小孔；處于所述第一絕緣層表面的相變層；處于所述相變層表面的第二絕緣層，第二絕緣層開有小孔；處于所述第二絕緣層表面且為導(dǎo)電材料的上電極層；第一絕緣層小孔的剖面中軸線al、第二絕緣層小孔的剖面中軸線a2、以及下電極 層的剖面中軸線a3，這三條剖面中軸線任意兩條不同時重合。所述非對稱相變存儲單元構(gòu)成的存儲器件，其特征在于該存儲器件由成陣列分 布的多個非對稱相變存儲單元構(gòu)成，其總的存儲容量大于210。本發(fā)明的非對稱相變存儲器單元及器件相對于傳統(tǒng)的T型對稱相變存儲器單元 及器件而言能夠在相同的電流、電壓脈沖下，達(dá)到更高的最大溫度值，以及更低的表面溫度 值，進(jìn)而改善存儲單元器件的熱學(xué)性能，并有效降低器件功耗。


圖1為傳統(tǒng)T型對稱相變存儲器單元縱向截面軸對稱結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提出的非對稱相變存儲器單元縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為在具體實例1中制備出的八單元非對稱相變存儲器器件示意圖。圖4為在具體實例1中制備出的非對稱相變存儲器單元縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為在具體實例2中制備出的非對稱相變存儲器單元縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為在具體實例3中制備出的非對稱相變存儲器單元縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為在具體實例4中制備出的非對稱相變存儲器單元縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為在具體實例中制備出的非對稱相變存儲器單元在0_50uA直流掃描電流作 用下得到的I-V曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對發(fā)明的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖2所示，本發(fā)明提供的非對稱相變存儲器單元包括由下至上依次疊置的下電 極層5、第一絕緣層4、相變層3、第二絕緣層2和上電極層1。所述下電極層5可采用TiW、W、TiN, Ta、Pt、Ag、Cu或CuN等導(dǎo)電材料，其寬度L7 范圍為60nm 40um，厚度h6范圍為 500nm。所述第一絕緣層4處于所述下電極層5表面，第一絕緣層4可采用Si02，Zr02， Ti02，Y203，Hf20，Ta205，非晶Si，或C等材料。第一絕緣層4寬度L8范圍為60nm 40um， 厚度h7范圍為2nm 500nm。第一絕緣層4開有小孔，小孔寬度Lll為IOnm 4um。所述相變層3處于第一絕緣層4表面，相變層3可采用元素周期表中IVA、VA及 VIA族元素的組合。相變層3寬度L9范圍為60nm 40um，厚度h8范圍為2nm 500nm，相 變層3通過第一絕緣層4上的小孔與下電極層5相接觸。所述第二絕緣層2處于所述相變層3表面，第二絕緣層可采用Si02，Zr02, Ti02，Y203，Hf20，Ta205,非晶Si，或C等材料。第二絕緣層2寬度LlO范圍為60nm 40um,厚度 h9范圍為2nm 500nm。第二絕緣層2開有小孔，小孔寬度L12范圍為IOnm 5um。所述上電極層1處于所述第二絕緣層2表面，上電極1通過第二絕緣層2上的小 孔與相變層3接觸。上電極1可采用111、1、1^、1^、？1六8、01或0^等導(dǎo)電材料。其寬 度L7范圍為60nm 40um，厚度hlO范圍為 500nm。本發(fā)明對上、下絕緣層上小孔的具體位置沒有特殊的要求，只要保證第一絕緣層4 上小孔的中軸線al、第二絕緣層2上小孔的中軸線a2以及下電極層5上的中軸線a3任意 兩條互不重合即可。需要注意的是，所述下電極層、第一絕緣層、相變層、第二絕緣層、上電極層的寬度 和厚度以及第一絕緣層小孔、第二絕緣層小孔的寬度都可以根據(jù)實際需要進(jìn)行等比例縮 放。以下給出運(yùn)用非對稱相變存儲器單元制備相變存儲器的一種方法首先，在Si02襯底或半導(dǎo)體襯底(包括MOS的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)，漏源區(qū)，電極引線，通 孔，或者PN 二極管，雙極晶體管等)制備導(dǎo)電的下電極層5，所述下電極層5可采用TiW、W、 TiN、Ta、Pt、Ag、Cu 或 CuN 等導(dǎo)電材料。然后，在已形成的下電極層5的表面制備第一絕緣層4，所述第一絕緣層4可采用 Si02, Zr02, Ti02, Y203, Hf20, Ta205，非晶 Si，或 C 等材料。然后，在已形成的第一絕緣層4的表面濺射沉積相變層3，所述相變層3可采用元 素周期表中IVA、VA及VIA族元素的組合。然后，在已形成的相變層3的表面制備第二絕緣層2，所述第二絕緣層2可采用 Si02, Zr02, Ti02, Y203, Hf20, Ta205，非晶 Si，或 C 等材料。最后，在已形成的第二絕緣層2的表面濺射沉積導(dǎo)電的上電極層1，所述上電極層 1可采用Tiff, W、TiN、Ta、Pt、Ag、Cu或CuN等導(dǎo)電材料。實施例1 在本實施例中，所制造的八單元非對稱相變存儲器器件如圖3所示a、b、C、d、e、 f、g、h分別表示八個單元，TE表示上電極，BE表示下電極。每個單元均能實現(xiàn)寫入、讀出和 擦除等功能。該非對稱相變存儲器器件單元結(jié)構(gòu)如圖4所示所述下電極層5采用TiW，其 寬度 L7 = 12um，厚度 h6 = 150nm。第一絕緣層4采用的是Si02材料，其寬度L8 = 20um，厚度h7 = 200um。第一絕 緣層4開有小孔，寬度為Lll = 2um,該小孔的中軸線al相對于下電極5上的中軸線a3水 平左移dl = 1. 5um。相變層3采用的材料是Ge2Sl32Te5，其寬度L9 = 10um，厚度h8 = 150nm。第二絕緣層2采用的是Si02材料，其寬度LlO = 30um,厚度h9 = 200nm。第二絕 緣層2開有小孔，寬度L12 = 4um，該小孔的中軸線a2相對于下電極5上的中軸線a3水平 左移 d2 = 2um。上電極1采用TiW，其寬度L7 = 12um，厚度hlO = 150nm。當(dāng)具有上述非對稱性結(jié)構(gòu)的相變存儲器單元被通以0至50uA的直流掃描電流時， 其I-V曲線如圖8所示。上述曲線表明，所述非對稱相變存儲器單元能夠響應(yīng)電流激勵并 發(fā)生相變，該非對稱相變存儲器單元符合相變存儲器的特征性能要求。當(dāng)所述的非對稱相變存儲器單元被施加幅值為7v、上升沿時間為10ns、脈寬為50ns、下降沿時間為IOns的 reset脈沖及幅值為6v、上升沿時間為10ns、脈寬為200ns、下降沿時間為IOOns的set脈 沖，器件單元的電阻值亦能相對應(yīng)地在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。具體表現(xiàn)為當(dāng)通 以上述reset作用脈沖后，器件單元電阻值變?yōu)楦咦钁B(tài)的100K Ω，對應(yīng)下電極層5上的相變 材料處于非晶態(tài)；當(dāng)通以上述set作用脈沖后，器件單元電阻值變?yōu)榈妥钁B(tài)的7ΚΩ，對應(yīng)下 電極層5上的相變材料處于晶態(tài)。實施例2 在本實施例中，所制造的為八單元非對稱相變存儲器，其非對稱相變存儲器單元 結(jié)構(gòu)如圖5所示所述下電極層5采用Cu，其寬度L7 = 10um，厚度h6 = lOOnm。第一絕緣層4采用的是Ti02材料，其寬度L8 = 15um,厚度h7 = 150um。第一絕 緣層4開有小孔，寬度為Lll = lum，該小孔的中軸線al相對于下電極5上的中軸線a3水 平右移dl = 1. 5um。相變層3采用的材料是GelSb4Te7，其寬度L9 = 10um，厚度h8 = lOOnm。第二絕緣層2采用的是Ti02材料，其寬度LlO = 20um,厚度h9 = 150nm。第二絕 緣層2開有小孔，寬度L12 = 2um,該小孔的中軸線a2相對于下電極5上的中軸線a3水平 左移 d2 = lum。上電極1采用Cu，其寬度L7 = 10um，厚度hlO = lOOnm。實施例3 在本實施例中，所制造的非對稱相變存儲器器件，其非對稱相變存儲器單元結(jié)構(gòu) 如圖6所示所述下電極層5采用Ag，其寬度L7 = 30um，厚度h6 = 500nm。第一絕緣層4采用的是非晶Si材料，其寬度L8 = 40um,厚度h7 = 500um。第一 絕緣層4開有小孔，寬度為Lll = 4um，該小孔的中軸線al相對于下電極5上的中軸線a3 水平右移dl = 4um。相變層3采用的材料是GeTe。其寬度L9 = 30um,厚度h8 = 500nm。第二絕緣層2采用的是非晶Si材料，其寬度LlO = 40um，厚度ti9 = 500nm。第二 絕緣層2開有小孔，寬度L12 = 6um,該小孔的中軸線a2相對于下電極5上的中軸線a3水 平左移d2 = 6um。上電極1采用Ag，其寬度L7 = 30um,厚度hlO = 500nm。實施例4 在本實施例中，所制造的非對稱相變存儲器器件，其非對稱相變存儲器單元結(jié)構(gòu) 如圖7所示所述下電極層5采用TiN，其寬度L7 = 60nm，厚度h6 = 2nm。第一絕緣層4采用的是&02材料，其寬度L8 = 90nm,厚度h7 = 2nm。第一絕緣 層4開有小孔，寬度為Lll = lOnm，該小孔的中軸線al相對于下電極5上的中軸線a3水平 左移 dl = 10nm。相變層3采用的材料是Agh^yre。其寬度L9 = 60nm，厚度h8 = 2nm。第二絕緣層2采用的是&02材料，其寬度LlO = 90nm,厚度ti9 = 2nm。第二絕緣 層2開有小孔，寬度L12 = IOnm,該小孔的中軸線a2相對于下電極5上的中軸線a3水平右 移 d2 = IOnrn0上電極1采用TiN，其寬度L7 = 60nm,厚度hlO = 2nm。
需要注意的是，以上實施例中的各層結(jié)構(gòu)的尺寸僅為示例，并非用于限制本發(fā)明， 該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況予以調(diào)整，例如，可以根據(jù)實際電路設(shè)計需要，對本 單元器件的設(shè)計尺寸進(jìn)行縮放，也可以在下電極5與第一絕緣層4之間加入熱功能層、接觸 層等，還可以在上電極層1與第二絕緣層2之間加入熱功能層、接觸層等的情況。上述實施例僅示例性的說明本發(fā)明的原理和基本結(jié)構(gòu)，并非用于限制本發(fā)明。任 何熟悉此項技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實施例進(jìn)行修改。因 此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
1.一種非對稱相變存儲器單元，其特征在于其膜層結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電材料的下電極層；處于所述下電極層表面的第一絕緣層，第一絕緣層開有小孔；處于所述第一絕緣層表面的相變層；處于所述相變層表面的第二絕緣層，第二絕緣層開有小孔；處于所述第二絕緣層表面且為導(dǎo)電材料的上電極層；第一絕緣層小孔的剖面中軸線al、第二絕緣層小孔的剖面中軸線a2、以及下電極層的 剖面中軸線a3，這三條剖面中軸線任意兩條不同時重合。
2.如權(quán)利要求1所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于所述下電極層、第一絕 緣層、相變層、第二絕緣層及上電極層的厚度均在2nm 500nm范圍內(nèi)；第一絕緣層開有小 孔，小孔寬度為IOnm 4um，第二絕緣層也開有小孔，小孔寬度為IOnm 5um。
3.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于所述下電極層、第一 絕緣層、相變層、第二絕緣層、及上電極層的厚度和寬度與第一絕緣層小孔和第二絕緣層小 孔的寬度能根據(jù)實際需要等比例縮放。
4.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于在下電極與第一絕 緣層之間加入熱功能層和/或接觸層。
5.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于在上電極層與第二 絕緣層之間加入熱功能層和/或接觸層。
6.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于所述相變層的材料 為元素周期表中IVA、VA及VIA族元素的組合。
7.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于所述第一絕緣層和 第二絕緣層的材料為Si02, Zr02, Τ 02, Y203, Hf20，Ta205，非晶Si，或C中的一種。
8.如權(quán)利要求1或2所述的非對稱相變存儲器單元，其特征在于所述下電極層和上 電極層的材料為Tiff, W、TiN、Ta、Pt、Ag、Cu或CuN的一種。
9.一種由權(quán)利要求1所述的非對稱相變存儲單元構(gòu)成的存儲器件，其特征在于該存 儲器件由成陣列分布的多個非對稱相變存儲單元構(gòu)成，其總的存儲容量大于21(1。
全文摘要
本發(fā)明屬于公開了一種非對稱相變存儲器單元及器件，包括由下至上依次疊置的下電極層、第一絕緣層、相變層、第二絕緣層和上電極層；第一絕緣層開有小孔，小孔寬度為10nm～4um；相變層通過第一絕緣層上的小孔與下電極層相接觸，第二絕緣層也開有小孔，小孔寬度為10nm～5um，上電極通過第二絕緣層上的小孔與相變層接觸。其核心結(jié)構(gòu)特征在于第一絕緣層上小孔的中軸線、第二絕緣層上小孔的中軸線以及下電極層的中軸線任意兩條互不重合。本發(fā)明提供的非對稱相變存儲器單元及器件能夠使存儲器具有較好的熱學(xué)性能，進(jìn)而能在保持器件原有性能的同時降低功耗。
文檔編號H01L45/00GK102064276SQ20101052858
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者孫巾杰, 彭菊紅, 溫學(xué)鑫, 瞿力文, 程曉敏, 繆向水, 鄢俊兵 申請人:華中科技大學(xué), 山東華芯半導(dǎo)體有限公司