[发明专利]用于相变存储器的过渡层

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于相变存储器中的过渡层，属于微电子中的相变存储器领域。

背景技术

相变存储器(PCM)是目前新一代非易失性存储器研究的热点，具有广阔的市场前景，它集高速、高密度、结构简单、成本低廉、抗辐照、非易失性等优点于一身，是目前被广泛看好的下一代存储器最有力的竞争者，它将有机会替代目前广泛使用的闪存存储器，从而在电子存储器领域占据重要一席。

PCM的原理是基于电脉冲对相变材料的加热而实现的高、低阻之间的可逆变化，当相变材料被加热到熔点以下，结晶温度以上的时候，相变材料就转变成低阻的多晶态，设定为逻辑“1”；当相变材料被加热到熔点以上并快速冷却，相变材料就转变为高阻的非晶态，可以设定为逻辑“0”；而读取的时候则使用一个很小的不至于使相变材料发生任何变化的电信号读取信息。为了达到在便携式设备中应用的要求，存储器件必须具有较低的功耗、较高的存储密度，所以，如何降低PCM的编程功耗，提升PCM的可靠性已经成为PCM研发的重点。

典型的PCM器件阵列的基本结构示意图如图1所示，相变存储器存储单元制备在钨电极之上；图2所示为传统的相变存储单元结构示意图，从图可以看到，在PCM中，作为存储介质的相变材料被夹在上下两电极之间，而电极通常情况下为金属钨。为了降低PCM器件的功耗，对传统器件的结构进行改进、或者缩小存储器的加热电极大小都是有效的办法之一，当然对电极材料的改进也是一种常用的手段。通过引入较高电阻率的加热电极能够增加PCM器件的加热电极在同一电流下产生的焦耳热，也就提高了加热发热效率，即为了达到同样的温度(比如熔点)，改进电极后的器件的所需的编程电流就会较低。

另一方面，随着PCM的进一步深入的研发，提升器件的可靠性也成了重要的研究内容。目前，在PCM器件的测试中往往发现在reset(PCM从低阻到高阻的编程)过程中往往会得到低电阻的状态，即原本希望得到高阻态的reset操作后得到的却是较低的电阻态，而这种较低的阻态是不能接受的，因为PCM的信息的识别就是基于器件的电阻值大小，而这种较低的阻态会造成系统在识辨高低阻时候产生紊乱，从而影响存储器件的操作的可靠性。造成上述这种不成功的reset的主要原因在于在常规的PCM器件中采用的是高热导率的金属电极，由于金属电极具有较高的热导率，在编程过程中就非常容易将产生的热量扩散出去，尽管在相变材料和加热电极之间界面上的电流密度是最高的，相应产生的热量和与之对应的温度都应该是最高的，但是此处的热量扩散同样是最快的，所以在reset过程中，相变材料中的最高温度点并不是在相变材料与加热电极的界面附近，而是在相变材料的中心区域，这可以从附图3中对常规器件结构的热学模拟结果中清楚看出。这样的后果导致了在reset过程中相变材料靠近金属加热电极附近的区域无法达到熔化温度，当然也就无法实现非晶化，故在reset过后就有一定厚度的多晶低阻态相变材料包覆在电极的表面，而这层低阻的相变材料的形成使器件中存在与非晶高阻电阻并联的低电阻，并联的结果使器件整体呈现出较低的电阻(参考D.Mantegazza，D.Itelmini，A.Pirovano，and A.L.Lacaita，IEEEElectron.Dev.Lett.28，865(2007))。这种较低的电阻严重影响了器件的写、擦操作以及高低阻的判断，所以消除这种并联电阻是必须的。而为了解决这个问题，就需将相变材料中的最高温度区域向相变材料和加热电极界面移动，这样reset后包覆在电极表面的材料就是非晶的，于是，启发本申请的发明人是否可以通过引入夹在相变材料和电极之间低电导率、低热导率的过渡层来实现。高加热效率的过渡层的存在首先在相变材料和加热电极之间的界面处产生更高的温度，此外，它还阻止了热量向电极扩散的速度，这样相变材料中的最高温度就会在与加热电极界面的附近。

低热导率电极或者过渡层的引入还能够减少编程过程中热量向氧化物和外界的扩散，使更多的热量被应用到了对相变材料的编程上。对于目前常规结构的PCM器件，仅有大约1％的热量被应用到了对编程区域相变材料的加热上，其余大部都被扩散到氧化物和上、下电极中(参见S.M.Sadeghipour，L.Pileggi，and M.Asheghi，The Tenth Intersociety Conference on ITHERM，(IEEE，New York，2006)第660页)。所以通过低热导率电极或者过渡层的引入提高了热量的利用率，也就大大降低了功耗，使相变存储器更加符合低功耗的要求。