一种非对称环状微电极相变存储单元及器件的制作方法

本发明属于微电子器件及相变存储器技术领域，更具体地，涉及一种非对称环状微电极相变存储单元及器件。

背景技术：

相变存储器单元的结构很大程度上决定了其性能，包括几何构型，相变薄膜的厚度，电极的厚度等。下电极和相变材料的接触面积s是影响相变存储器性能的一个重要参数，随着s的减小，相变区域的尺寸减小，操作电流也逐渐减小。提高半导体工艺的水平(如减小光刻工艺线宽)可以有效的减小接触面积，从而减小操作电流，但是技术的更新需要大量的成本，因此可以从存储单元结构等方面来尽可能的减小操作电流。

对相变存储器来说，随着存储容量的增加，当特征尺寸缩小到65nm及以下时，相邻相变存储单元间的热串扰问题十分严重。当不同相变单元之间的间隔太小(亚微米级)，其中某个相变单元进行数据读写操作时会产生很高的相变温度，由于热传导效应，热量会对邻近非操作的相变单元产生一定的影响，使其温度升高，当该非操作相变单元的温度升高到一定程度，也会发生相变，导致原有信息的丢失，此即相变存储器单元间的热串扰问题。为了减小热串扰问题，就需减小单元中加热电极和相变材料之间的接触面积，减小操作电流，使功能层局部加热，尽量减小相变区域。

传统t型结构相变存储单元如图1所示，两层金属电极之间的相变功能层材料通常为(ge2sb2te5)gst，周围是绝缘材料sio2，在上下电极之间加窄而尖的脉冲时，与下电极接触的相变材料发生相变转变为高阻的非晶态，这样整个单元就表现为高阻态，而相变材料与下电极的接触面积s越小，操作电流就越小。

然而，上述现有解决方案仍然存在以下的技术问题：其最小尺寸受光刻最小尺寸的限制，同时t型相变单元的热学性能较差，热利用率较低，大部分热量被耗散，既增加了功耗，也由于热串扰现象会影响高密度器件单元阵列的集成。因此，如何设计一种抗热串扰、低操作电流的相变存储器单元器件结构以降低器件的功耗，已成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非对称环状微电极相变存储单元及器件，采用该存储单元制成存储器器件能达到减小热串扰，降低操作电流的目的。其中环状电极使接触面积更小，可以减小擦写电流；同时，非对称结构较传统t型对称结构有较优的热学性能，相变更局部，从而可有效减小热串扰。

本发明提供了一种非对称环状微电极相变存储单元，其膜层结构包括：

由导电材料形成的下电极层；

附着于所述下电极层表面的第一绝缘层，所述第一绝缘层开设有纳米级第一小孔，所述第一小孔正对着下电极层；

附着于所述第一绝缘层表面的相变功能层；

附着于所述相变功能层表面的第二绝缘层，所述第二绝缘层开设有第二小孔；

附着于所述第二绝缘层表面且为导电材料的上电极层；

所述下电极层是环状电极，为空心结构，其剖面图为u型，电极芯由绝缘材料填充；

所述第一绝缘层中所述第一小孔的中心线、所述相变功能层的中心线和所述第二绝缘层中所述第二小孔的中心线均不在同一条直线上，发生左右偏移。

在本发明实施例中，相变功能层的中心线与第一小孔的中心线有一个偏移量，能够有效的减小相变材料与下电极的接触面积，同时下电极做成环状，中间用绝缘材料填充，进一步减小了接触面积，以达到减小reset电流的目的；上电极由水平方向贯通单元的电极条以及第二绝缘层的小孔组成；下电极则由垂直方向贯通单元的电极条以及中间填充绝缘材料的环状电极组成。

更进一步地，下电极层、所述第一绝缘层、所述相变功能层、所述第二绝缘层和所述上电极层的厚度均在2nm～500nm；所述第一小孔的宽度为10nm～1um；所述第二小孔的宽度为10nm～2um；所述第一小孔内环状金属侧壁厚度小于所述第一小孔半径。

更进一步地，下电极层、所述第一绝缘层、所述相变功能层、所述第二绝缘层和所述上电极层厚度和宽度与所述第一小孔和所述第二小孔的宽度能根据实际需要等比例缩放。

更进一步地，相变功能层的材料为元素周期表中iva、va及via族元素的组合。

更进一步地，第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料为sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c中的一种。

更进一步地，下电极层和所述上电极层的材料为tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun中的一种。

更进一步地，下电极层与所述相变功能层直接接触的面积为圆环形，线宽尺寸为50nm及以下。

本发明还提供了一种由上述的非对称环状微电极相变存储单元构成的存储器件，包括：衬底、半导体层与绝缘层交替的堆叠结构、至少一个u型的环状电极；所述半导体层与绝缘层交替的堆叠结构位于所述衬底上方，并且各半导体层和绝缘层的上下表面均与衬底的上表面平行；所述u型的环状电极贯穿所述第一绝缘层。

在本发明实施例提供的非对称环状微电极相变存储单元中，还可以有热沉层结构以改善单元的产热及散热条件，并最终达到减小相邻单元间热串扰的目的。该热沉层结构可以为每个存储单元独有，或为整个阵列或器件共同拥有。

更进一步地，该存储器件的存储体部分由成阵列分布的多个非对称环状微电极相变存储单元构成。

本发明中，非对称环状电极相变存储单元构成的存储器件，每个单元下电极为u型环状结构，中心由绝缘材料填充，电极与相变材料的接触面积均为纳米级，非对称环状电极相变存储单元极大的减小了操作电流，改善热串扰，提高存储密度，降低写入功耗。

附图说明

图1为传统t型对称相变存储器单元纵向截面轴对称结构示意图。

图2为本发明提出的非对称环状微电极相变存储器单元纵向截面结构示意图。

图3为在具体仿真实例1中设计的普通电极相变存储单元纵向截面结构示意图。

图4为在具体仿真实例1中设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构示意图。

图5为在具体仿真实例1中设计的非对称环状电极相变存储单元中相变材料与下电极接触面的俯视示意图。

图6为在具体仿真实例1中设计的普通电极相变存储单元在脉冲宽度20ns的脉冲电流作用下得到的r-i曲线。

图7为在具体仿真实例1中设计的非对称环状电极相变存储单元在脉冲宽度20ns的脉冲电流作用下得到的r-i曲线。

图8为在具体仿真实例1中设计的普通电极相变存储单元在reset时的温度分布图。

图9为在具体仿真实例1中设计的非对称环状电极相变存储单元在reset时的温度分布图。

图10为在具体仿真实例2中设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构示意图。

图11为在具体仿真实例2中设计的非对称环状电极相变存储单元相变功能层中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量对reset电流以及窗口值的影响效果图。

图12为在具体仿真实例3中设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构示意图。

图13为在具体仿真实例3中设计的非对称环状电极相变存储单元第二绝缘层小孔中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量对reset电流以及窗口值的影响效果图。

图14为在具体仿真实例4中设计的添加热沉层的非对称环状电极相邻相变存储单元纵向截面结构图。

图15为在具体仿真实例4中设计的普通电极相邻相变存储器单元纵向截面结构图。

图16为在具体仿真实例4中设计的未添加热沉层的非对称环状电极相邻相变存储单元纵向截面结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及三维热模拟实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明从器件结构入手，通过减小电极与相变材料的接触面积，减小操作电流，在降低写入功耗的同时减小单元间的热串扰。

如图2所示，本发明提供的非对称环状微电极相变存储器单元包括由下至上依次叠置的下电极层、第一绝缘层、相变功能层、第二绝缘层、上电极层。

下电极层可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等导电材料，其宽度l6范围为10nm～1um，厚度h5范围为2nm～500nm。纳米级线宽可以减小相变单元面积和相邻两单元间间距，增加存储密度。

第一绝缘层处于下电极表面，第一绝缘层可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c等材料。第一绝缘层宽度l4范围为40nm～5um，厚度h4范围为2nm～500nm。第一绝缘层开有小孔，且小孔正对着下电极，小孔宽度l5为10nm～1um。小孔内部填充导电材料侧壁和绝缘材料芯，导电侧壁的厚度小于小孔宽度的一半。第一绝缘层小孔的宽度直接决定了下电极与相变材料的接触面积，接触面积越小，单元所需擦写电流越小。

相变功能层处于第一绝缘层表面，相变功能层可采用元素周期表中iva、va及via族元素的组合。相变功能层宽度l3范围为40nm～3um，厚度h3范围为2nm～500nm，相变功能层通过第一绝缘层上的小孔中的导电侧壁与下电极层相接触。相变功能层要覆盖住下绝缘层小孔，且宽度不能超过下绝缘层。

第二绝缘层处于相变功能层表面，第二绝缘层可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c等材料。第二绝缘层宽度l1范围为40nm～5um，厚度h2范围为2nm～500nm。第二绝缘层开有小孔，小孔宽度l2为10nm～2um。第二绝缘层小孔使上电极与相变材料接触，其宽度与第一绝缘层小孔相同或略大。

上电极层处于第二绝缘层表面，上电极层通过第二绝缘层上的小孔与相变功能层相接触。上电极可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等导电材料，其宽度范围为10nm～1um，厚度h1范围为2nm～500nm。纳米级线宽可以减小相变单元面积和相邻两单元间间距，增加存储密度。

本发明对上、下绝缘层上小孔的具体位置没有特殊的要求，只要保证第一绝缘层小孔中心线、相变功能层中心线以及第二绝缘层小孔中心线均不在同一条直线上，发生左右偏移即可。相变材料的中心线与第一绝缘层小孔的中心线有一个偏移量，这样能够有效的减小相变材料与下电极的接触面积，同时下电极做成环状，中间用绝缘材料填充，进一步减小了接触面积，以达到减小reset电流的目的；上电极由水平方向贯通单元的电极条以及第二绝缘层的小孔组成；下电极则由垂直方向贯通单元的电极条以及中间填充绝缘材料的环状电极组成。

需要注意的是，下电极层、第一绝缘层、相变功能层、第二绝缘层、上电极层的宽度和厚度以及第一绝缘层小孔、第二绝缘层小孔的宽度都可以根据实际需要进行等比例缩放。

非对称环状微电极相变存储单元，可以有热沉层结构以改善单元的产热及散热条件。该热沉层结构可以为每个存储单元独有，或为整个阵列或器件共同拥有。

以下给出运用非对称环状微电极相变存储单元制备相变存储器的一种方法：

首先在硅衬底或半导体衬底(包括mos的杂质扩散区，漏源区，电极引线，通孔，或者pn二极管，双极晶体管等)通过电子束光刻并溅射沉积导电的下电极层，所述下电极层可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等导电材料。

然后，在已形成的下电极层的表面通过电子束光刻及热固化制备第一绝缘层及其小孔，所述第一绝缘层可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、非晶si或c等材料。

然后，在已形成的第一绝缘层的表面镀一层薄导电材料，再溅射沉积一层绝缘材料，并用化学机械抛光打磨形成环状下电极。

然后，在已形成环状电极的第一绝缘层的表面通过电子束光刻并溅射沉积相变功能层，所述相变功能层可采用元素周期表中iva、va及via族元素的组合。

然后，在已形成的相变功能层的表面通过电子束光刻及热固化制备第二绝缘层及其小孔，所述第二绝缘层可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、非晶si或c等材料。

然后，在已形成的第二绝缘层的表面通过电子束光刻并溅射沉积导电的上电极层，上电极层可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等导电材料。

实施例1：

在本实施例中，三维热模拟仿真所设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构图如图4所示，相变材料与下电极接触面的俯视图如图5所示，普通电极相变存储单元纵向截面结构图如图3所示。讨论非对称环状电极结构与普通t型电极结构对reset电流的影响。整个非对称环状电极相变存储单元的形状为长方体；第一绝缘层小孔、第二绝缘层小孔以及相变材料均为圆柱体。图4中h5为下电极层的厚度，h4为第一绝缘层中环状电极小孔的厚度，r为环状电极小孔中心填充的绝缘材料半径，h2为第二绝缘层小孔的厚度，h1为上电极层的厚度，h3为相变功能层的厚度，特征尺寸l6为第一绝缘层小孔的半径，l2为第二绝缘层小孔的半径，l3为相变功能层半径，s为相变功能层中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量，t为第二绝缘层小孔中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量。

普通电极相变存储单元为t型结构，第一绝缘层小孔中心线、相变功能层中心线和第二绝缘层小孔中心线均在同一条直线上，上下电极均为实心结构，结构整体左右对称。图3中h5为下电极层的厚度，h4为第一绝缘层的厚度，h2为第二绝缘层的厚度，h1为上电极层的厚度，h3为相变功能层的厚度，特征尺寸l6为第一绝缘层小孔的半径，l2为第二绝缘层小孔的半径，l3为相变功能层半径。

两种结构的h2＝h1＝h5＝h3＝10nm，h4＝100nm，l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝22nm。非对称环状电极结构相变功能层中心线远离第一绝缘层小孔中心线的偏移量s＝8nm，第二绝缘层小孔中心线远离第一绝缘层小孔中心线的偏移量t＝22nm，绝缘材料半径r＝6nm。两种结构中的相变材料均选用gst，厚度相同。

上述普通单元结构和非对称环状电极结构的电阻值随脉冲电流i的变化如图6和图7所示，脉冲宽度为20ns。从图6中可以看出，当电流脉冲幅值i小于16.15ua时，普通单元的电阻几乎没有变化，说明此时相变材料与下电极接触处的温度并没有达到相变温度(gst的相变温度为300℃，是相变材料的一种物理特性)，相变材料并没有开始发生相变；当电流脉冲幅值i大于16.75ua时，单元的电阻开始急速增大，说明此时相变材料与下电极接触处的温度已经开始超过相变温度，部分的相变材料转变为非晶态；当电流脉冲幅值i继续增大到17.81ua以上时，单元的电阻值几乎不变，说明此时相变材料已经完全相变，电阻值不再增大。因此取电阻完成跳变处的电流脉冲幅值i＝17.81ua作为普通单元的reset电流。同样，从图7中可以看出，取电阻完成跳变处的电流脉冲幅值i＝8.34ua作为非对称环状电极单元的reset电流。上述曲线表明，对所述普通单元结构的reset电流脉冲幅值为17.81ua，非对称环状电极结构的reset电流脉冲幅值为8.34ua。由此可见，非对称环状电极结构的相变存储单元reset操作所需功耗较低。

上述普通结构和非对称环状电极结构在reset时的温度分布图分别如图8和图9所示。从上述图中可以看出，对普通单元施加幅值为17.81ua的reset电流脉冲，对非对称环状电极单元施加幅值为8.34ua的reset电流脉冲，图中红色区域为温度最高区域，故所述非对称环状电极结构施加更小的电流脉冲就能达到更高的温度，这是由于相变材料与下电极的接触面积减小使得电流密度增大，产热更为集中，这样较低的电流就能使得覆盖下电极的相变材料相变完成reset过程。

实施例2：

本实施例讨论非对称环状电极结构中相变功能层中心线与第一绝缘层中心线偏移量s对reset电流的影响。所设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构图如图10所示。为了分析的方便第二绝缘层小孔的中心线和相变功能层的中心线是重合的，即第二绝缘层小孔的中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量t和相变功能层中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量s是相等的。下电极层的厚度为h5＝10nm，第一绝缘层中环状电极小孔的厚度为h4＝100nm，环状电极小孔中心填充的绝缘材料半径为r＝6nm，上电极孔的厚度为h2＝10nm，上电极层的厚度为h1＝10nm，相变功能层直径为l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝22nm。

上述非对称环状电极相变存储单元的相变功能层中心线远离第一绝缘层中心线的偏移量s对reset电流以及窗口值的影响效果图如图11所示。从图中可以看出随着相变功能层偏移量s的增大，reset电流急剧减小，这是由于随着相变功能层的偏移，其与下电极的接触面积s也急剧减小。而且相变功能层的偏移会使得电流通路l变长，s减小，l增大会导致单元相变前的电阻变大，同时接触面积的减小使得相变区域变小，这样单元相变后的电阻也会变小，最终会使得窗口值的大幅减小。因此相变功能层中心线远离第一绝缘层中心线的偏移量不能太大。

实施例3：

本实施例讨论非对称环状电极结构中第二绝缘层中心线与第一绝缘层中心线偏移量t对reset电流的影响。所设计的非对称环状电极相变存储单元纵向截面结构图如图12所示。相变功能层中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量s＝15nm，下电极层的厚度为h5＝10nm，第一绝缘层中环状电极小孔的厚度为h4＝100nm，环状电极小孔中心填充的绝缘材料半径为r＝6nm，上电极孔的厚度为h2＝10nm，上电极层的厚度为h1＝10nm，相变功能层直径为l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝30nm。

上述非对称环状电极相变存储单元的第二绝缘层小孔中心线远离第一绝缘层小孔中心线的偏移量t对reset电流脉冲幅值以及窗口值的影响效果图如图13所示。从图中可以看出随着第二绝缘层小孔中心线的偏移reset电流逐渐降低，窗口值也逐渐降低。由于电流从第二绝缘层小孔流入相变功能层，在到达下电极之前要水平通过相变功能层，因此第二绝缘层小孔偏移量的增大会导致电流通路的增长，使得相变功能层表现出的电阻变大，reset电流降低。由此可见，非对称环状微电极结构可以有效降低reset电流。

实施例4：

在本实施例中所设计的添加热沉层的非对称环状电极相变存储器相邻单元纵向截面结构图如图14所示。普通电极相变存储器相邻单元纵向截面结构图如图15所示。未添加热沉层的非对称环状电极相变存储器相邻单元纵向截面结构图如图16所示。热沉层采用的材料是sno2，其厚度为50nm。单元间距c为77nm。相变功能层中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量s＝18nm，第二绝缘层小孔中心线与第一绝缘层小孔中心线的偏移量t＝22nm，下电极层的厚度为10nm，第一绝缘层中环状电极小孔的厚度为100nm，环状电极小孔中心填充的绝缘材料半径为r＝6nm，三种结构中相变功能层材料相同，厚度均为10nm，上电极孔的厚度为10nm，上电极层的厚度为10nm，特征尺寸l5＝22nm。

对所述添加热沉层的非对称环状电极相变存储单元施加宽度为20ns，幅值不同的电流脉冲使得工作单元的最高温度达到900℃，邻近单元的最高温度为115.57℃，工作单元的reset电流脉冲幅值为15.83ua。

对所述普通电极相变存储单元施加宽度为20ns，幅值不同的电流脉冲使得工作单元的最高温度达到900℃，邻近单元的最高温度为402℃，工作单元的reset电流脉冲幅值为24.03ua。

对所述未添加热沉层的非对称环状电极相变存储单元施加宽度为20ns，幅值不同的电流脉冲使得工作单元的最高温度达到900℃，邻近单元的最高温度为307.30℃，工作单元的reset电流脉冲幅值为11.95ua。

对工作单元进行reset操作过程中，普通结构中邻近单元的最高温度远大于相变材料的晶化温度(125℃)，说明单元之间存在严重的热串扰。非对称环状电极结构由于发热部分集中在与下电极接触的地方，更为远离邻近的单元，因此邻近单元的最高温度有所降低。增加热沉层使得邻近单元的最高温度小于相变材料的晶化温度，相比未添加热沉层的情况降低了62.4％，有效的降低了相邻单元间的热串扰，虽然同时会使得reset电流稍微增大(因为热沉层有利于单元散热)，但是也比普通结构的操作电流降低了34.1％。由此，这种非对称环状电极结构具有抗热串扰，降低reset电流的作用。同时，这种非对称环状电极结构也可添加热沉层以进一步减小热串扰。

由此可见，对于所述非对称环状电极结构的相变存储单元或器件，可以通过增加热沉层结构以改善单元或器件的产热及散热条件，并最终达到减小相邻单元间热串扰的目的。本实施例中增加的热沉层结构是一层为整个阵列或器件共同拥有的热沉层薄膜，在实际的相变存储单元或器件中，该热沉层结构可以为每个存储单元独有，是每个独立存储单元膜层结构中的一部分。

通过以上构思，本发明能够有效减小超高密度相变存储器单元间的热串扰，并降低单元操作电流。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。