[发明专利]一种1S1R型相变存储单元结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种1S1R型相变存储单元结构及其制备方法，依次层叠设置的顶电极层、OTS层、中间电极层、绝缘层、底电极层和衬底；中间电极层与绝缘层的接触面中部位置向中间电极层内凹陷，凹陷处置有相变材料层；绝缘层在相变材料层对应的位置设有贯穿绝缘层的加热电极，加热电极一端连接相变材料层，另一端连接底电极层。优点在于，采用包裹式的中间电极层，通过按照蘑菇型单元热量分布的形状调整相变材料层的直径与高度，使得热量分布更加均匀。增加了相变材料层与中间电极层的接触面积，从而减小与中间电极层接触区域的相变材料的电流密度，避免突变热对该区域的局部编程，提升阻值分布，减小误操作可能，提高提升相变存储单元可靠性。

技术领域

本发明涉及一种纳米级相变存储单元结构，尤其涉及一种1S1R型相变存储单元结构。

本发明还涉及一种纳米级相变存储单元结构的制备方法，尤其涉及一种1S1R型相变存储单元结构的制备方法。

背景技术

相变材料早期应用于光盘中，后来乃至今日成为PCRAM(phase change randomaccess memory)的研究热点。在电存储领域，由于目前的主流非易失性存储器Flash将在大约20nm节点遇到自身的物理瓶颈，寻求下一代非易失性存储器成为了存储领域的发展主线。根据MarissaA.Caldwell等人的研究表明，相变材料的三维尺寸都在2nm-5nm时，依然可以表现出相变特性。因此，PCRAM凭借着自身小尺寸、非易失性、高速、低功耗等特性，成为了三大候选人之一(STTMRAM、PCRAM、RRAM)。

相变材料通常有两个“态”，即“晶态”(crystalline)和“非晶态”(amorphous)，少部分材料具有两个“晶态”和一个“非晶态”。“晶态”对应材料原子排列有序、整齐的状态；“非晶态”则对应原子排列无序、混乱的状态。物质微观结构的差异造成了宏观特性的不同表现。以PCRAM为例，相变材料处于“晶态”时，存储单元此时表现为低阻值态LRS(Low-Resistance-State)；相变材料处于“非晶态”时，存储单元表现为高阻值态HRS(High-Resistance-State)。这里给出两个定义，存储单元从LRS转变为HRS的过程定义为“RESET”，从HRS转变为LRS的过程定义为“SET”。RESET和SET过程可以通过给存储单元外加激励(可以是激光或者电脉冲)的方式来实现。RESET脉冲幅值高，持续时间短，短时间内将存储单元内的相变材料升温至熔化温度Tm以上，随后脉冲被撤去，相变材料迅速降温至结晶温度Tc以下，逐渐变为HRS。SET脉冲将存储单元内的高阻态相变材料升温至Tm和Tc之间，使相变材料逐渐结晶，通常结晶速度有限，因此SET脉冲持续时间通常比RESET更长。具体参考图5。

近年来PCRAM的发展主要围绕解决两个比较突出的问题，一是相对较长的SET延时；二是较高的RESET功耗。在采用新结构和新材料组分等方式下，相变材料的读写速度已经能够突破ns量级；但是，即使在尺寸缩小的情况下，RESET功耗问题依然没有得到较好的解决。因此，PCRAM的集成度并不高，目前PCRAM芯片原型的最大容量只有8G，这距离成熟的存储产品来说，仍有一定差距。

为了实现PCRAM的高密度存储，存储单元的尺寸开始缩小到20nm及以下。但由于晶体管在相应尺寸下不能提供足够的电流来引发相变材料相变(尤其是RESET电流)，这给1T1R结构提出了巨大的挑战。1S1R结构通过将OTS层内嵌于相变存储单元，解决了电流驱动能力不足的问题。1S1R结构相比于1T1R结构来说，节约了更多的硅衬底面积，但1S1R存储单元的可靠性有待提高。下面对1S1R存储单元的可靠性进行进一步叙述。所述的1T1R结构即1Transistor、1Resistance；1S1R结构即1Selector、1Resistance，通常采用具有OTS(Ovonic Threshold Switching)特性的材料作Selector，结构如图6。