[发明专利]一种相变存储器单元及其制备方法

说明书

一种相变存储器单元及其制备方法，其从下到上依次包括位于衬底上的底电极、相变单元、加热电极和顶电极；其中，相变单元为纵向连接设置于底电极上的柱体，其由内而外依次设置有柱形相变材料层、环形散热层和环形选择器件层；顶电极与加热电极和相变材料层依次连接，环形选择器件层连接底电极。因此，本发明通过采用散热层包覆相变电阻层使电流密度和热量分布更加集中，从而固定相变有效操作区域，使相变电阻层有效区域体积减小，降低了器件功耗；同时，散热层与相变电阻层非有效操作区域的接触面积增大，减小非有效操作区域的热量聚集，降低非有效区域转化为有效区域的可能，提高器件可靠性。

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种相变存储器单元及其制备方法。

背景技术

随着大数据、物联网、云计算和人工智能等一系列的新型信息技术的出现，对存储器提出了高读写速度、低功耗、高存储密度、长使用寿命和高可靠性等要求。目前，以相变存储器为代表的新型存储技术正在逐渐替代传统的动态储存单元(Dynamic RAM，DRAM)和闪存(Flash EEPROM Memory，Flash)，且在人工智能和存算一体芯片领域的应用前景广阔。

相变存储器(Phase Change Memory，简称PCM)，相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。具体地，相变存储器通常是利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的一种信息存储装置。

请参阅图1，图1所示为现有技术中相变存储器单元结构的示意图。如图1所示，现有的相变存储器单元结构为1个相变开关+1个相变电阻(1OTS+1R)的垂直堆叠结构(以英特尔X-point技术为例)，自下而上由底电极01、选择器件层02、阻挡层03、相变材料层04和顶电极05组成。

如图2所示，对于相变材料层04而言，发生相变只是靠近界面的半圆形区域，称为相变有效操作区域。相变材料层04的相变材料初始态为晶态，在进行写操作后，相变材料层04中的相变有效操作区域由晶态转变为非晶态，而相变材料层04中的其他大部分区域仍为晶态。但是，在相变单元反复操作过程中，当操作电压V为大于相变开关的阈值电压，但小于相变电阻的操作电压时(VotsVVset)，热量会持续聚集在相变电阻层04，这会导致器件操作时，非相变有效操作区域可能会发生相变，造成相变电阻不稳定，产生器件可靠性问题。

因此，业界需要一种新型的相变存储器单元结构，来解决相变电阻中有效操作区域体积变化的问题，提升相变存储器件的可靠性。

发明内容

针对现有技术能力的不足，本发明提出了提供一种相变存储器单元及其制备方法，以有效提高相变存储器单元的器件性能和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种相变存储器单元，其从下到上依次包括：位于衬底上的底电极、相变单元、加热电极和顶电极；其中，

所述相变单元为纵向连接设置于所述底电极上的柱体，其由内而外依次设置有柱形相变材料层、环形散热层和环形选择器件层；所述顶电极与所述加热电极和所述柱形相变材料层依次连接，所述环形选择器件层连接所述底电极，其中，所述相变单元的柱体截面为圆形、椭圆形、矩形菱形或多边形。

进一步地，所述加热电极与柱形相变材料层一个接触面相连，所述环形散热层和所述环形选择器件层依次包覆所述柱形相变材料核的剩余接触面，其中，所述加热电极纵向设于柱形相变材料层的顶部表面上，所述加热电极的底部形状位于柱形相变材料层顶部表面的范围内，所述加热电极的顶部连接在所述顶电极的下端。