紧凑型相变存储器单元及高密度相变存储阵列结构

本发明属于存储设备，具体涉及一种紧凑型相变存储器单元和高密度相变存储阵列结构。

背景技术：

1、相变存储器(phase change memory，pcm)是一种具有广阔应用前景的非易失性存储技术，其与电阻随机存取存储器(reram)、铁电存储器(fram)和磁阻存储器(mram)一同吸引了大量关注，它在可嵌入性、持久性、稳定性以及与cmos工艺兼容性方面的突出特性使其有望满足大数据时代对存储容量的爆炸性需求。

2、pcm单元中的存储组件由硫属化物组成，例如，ge2sb2te5(gst)，pcm的基本存储原理是在器件单元上施加不同幅度和持续时间的电压或电流脉冲信号，使相变材料发生物理相态的变化，即低电阻率晶态和高电阻率非晶态之间发生可逆相变互相转换，从而实现信息的写入(“1”)和擦除(“0”)操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程，其中，前者被称为非晶化过程，后者被称为晶化过程。依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出，这种非破坏性的读取过程，能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。

3、多年来，研究人员提出了多种不同的pcm结构，包括蘑菇形结构和垂直电极结构等。其中，蘑菇形结构是最广为接受的一种。蘑菇形结构是一种常见的pcm单元结构，由上、下电极、gst薄层和加热细丝组成。蘑菇结构的优点是结构简单，加热器与相变材料直接接触，最大程度减少热损失。然而，每个单元只有一个相变材料区域，尺寸较大，限制了存储容量和集成度的发展，并可能引起热串扰问题。垂直电极结构的相变材料层位于垂直电极之间。通过垂直电极结构，可以在单元面积上实现更多的存储容量，并提高集成密度。此外，垂直电极结构还可以实现交叉电极阵列，进一步增加存储密度和容量。3d xpoint是一种非易失性存储器技术，它利用相变材料实现高速和高密度的存储。在3d xpoint架构中，典型的pcm阵列采用共字线和共比特线堆叠结构。这些结构允许在三维空间中堆叠多层存储器单元，从而大大增加存储密度和容量。

4、在pcm阵列中，当一个单元被激活时，周围的单元也会受到热影响，可能导致存储器中的数据发生错误。热串扰是由于相变材料的热传导性质以及单元之间的物理接触而产生的。为了解决热串扰问题，研究人员一直在探索各种技术和结构，如改进的电极设计、热隔离层等。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种紧凑型相变存储器单元和高密度相变存储阵列结构，本发明通过一个基于时域有限元方法和区域分解方法的电热耦合仿真器来研究相变过程中pcm单元及阵列的电学特性。

2、为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、紧凑型相变存储器单元，包括第一二氧化硅支撑层，第一二氧化硅支撑层的上表面向上依次设置有第一相变材料层、第一多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第一栅电极，第一二氧化硅支撑层的下表面向下依次设置有第二相变材料层、第二多晶硅沟道层、第二栅氧化层、第二栅电极；第一相变材料层、第二相变材料层均呈中部尺寸小于两端尺寸的形状；以第一二氧化硅支撑层为界，第一相变材料层、第一多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第一栅电极分别与第二相变材料层、第二多晶硅沟道层、第二栅氧化层、第二栅电极呈90度。

4、优选的，第一二氧化硅支撑层、第一多晶硅沟道层、第二多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第二栅氧化层、第一栅电极、第二栅电极均为长方体状。

5、优选的，第一相变材料层、第二相变材料层、第一多晶硅沟道层、第二多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第二栅氧化层的长度均与第一二氧化硅支撑层长度相等。

6、优选的，第一栅电极位于第一栅氧化层长度方向的中间位置，第二栅电极位于第二栅氧化层长度方面的中间位置。

7、本发明还公开了一种高密度相变存储阵列结构，其包括数个上述的紧凑型相变存储器单元和数个选通电路单元，数个紧凑型相变存储器单元通过三维堆叠成阵列结构，上下相邻的紧凑型相变存储器单元以栅电极为中心对称式堆叠，但上下相邻的紧凑型相变存储器单元间只有一个栅电极；同一水平方向上的紧凑型相变存储器单元构成一条存储器链；选通电路单元包括第二二氧化硅支撑层、第三多晶硅沟道层、第四多晶硅沟道层、第三栅氧化层、第四栅氧化层、第三栅电极、第四栅电极，第二二氧化硅支撑层的上表面向外依次设有第三多晶硅沟道层、第三栅氧化层、第三栅电极，第二二氧化硅支撑层的上表面向外依次设有第四多晶硅沟道层、第四栅氧化层、第四栅电极；以第二二氧化硅支撑层为界，第三多晶硅沟道层、第三栅氧化层、第三栅电极分别与第四多晶硅沟道层、第四栅氧化层、第四栅电极呈90度；上下相邻的选通电路单元以栅电极为中心对称式堆叠，但上下相邻单元间只有一个栅电极。

8、优选的，选通电路单元的第二二氧化硅支撑层厚度为与其相对应紧凑型相变存储器单元的第一二氧化硅支撑层厚度与第一或第二相变材料层厚度之和。

9、与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

10、本发明的紧凑型相变存储器单元(1s1r)与传统gst条带形单元相比，本发明哑铃形gst单元的使用有利于降低功耗，同时保持gst区域与多晶硅沟道之间的有效接触面积不变。本发明能够实现高密度集成，同时不会有明显热串扰，保证存储器件可靠性。

技术特征：

1.紧凑型相变存储器单元，其特征是包括第一二氧化硅支撑层(5)，第一二氧化硅支撑层(5)的上表面向上依次设置有第一相变材料层(4)、第一多晶硅沟道层(3)、第一栅氧化层(2)、第一栅电极(1)，第一二氧化硅支撑层(5)的下表面向下依次设置有第二相变材料层(6)、第二多晶硅沟道层(7)、第二栅氧化层(8)、第二栅电极(9)；第一相变材料层(4)、第二相变材料层(6)均呈中部尺寸小于两端尺寸的形状；以第一二氧化硅支撑层(5)为界，第一相变材料层(4)、第一多晶硅沟道层(3)、第一栅氧化层(2)、第一栅电极(1)分别与第二相变材料层(6)、第二多晶硅沟道层(7)、第二栅氧化层(8)、第二栅电极(9)呈90度。

2.根据权利要求1所述的紧凑型相变存储器单元，其特征在于：第一二氧化硅支撑层、第一多晶硅沟道层、第二多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第二栅氧化层、第一栅电极、第二栅电极均为长方体状。

3.根据权利要求2所述的紧凑型相变存储器单元，其特征在于：第一相变材料层、第二相变材料层、第一多晶硅沟道层、第二多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第二栅氧化层的长度均与第一二氧化硅支撑层的长度相等。

4.根据权利要求2或3所述的紧凑型相变存储器单元，其特征在于：第一栅电极位于第一栅氧化层长度方向的中间位置，第二栅电极位于第二栅氧化层长度方面的中间位置。

5.高密度相变存储阵列结构，其特征在于，包括数个如权利要求1-4任一项所述紧凑型相变存储器单元和数个选通电路单元，数个紧凑型相变存储器单元通过三维堆叠成阵列结构，上下相邻的紧凑型相变存储器单元以栅电极为中心对称式堆叠，但上下相邻的紧凑型相变存储器单元间只有一个栅电极；同一水平方向上的紧凑型相变存储器单元构成一条存储器链；

6.根据权利要求5所述的高密度相变存储器阵列结构，其特征在于：选通电路单元的第二二氧化硅支撑层的厚度为与其相对应紧凑型相变存储器单元的第一二氧化硅支撑层厚度与第一或第二相变材料层厚度之和。

技术总结
本发明涉及一种紧凑型相变存储器单元和高密度相变存储阵列结构；紧凑型相变存储器单元包括第一二氧化硅支撑层，第一二氧化硅支撑层的上表面向上依次设置有第一相变材料层、第一多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第一栅电极，第一二氧化硅支撑层的下表面向下依次设置有第二相变材料层、第二多晶硅沟道层、第二栅氧化层、第二栅电极；第一相变材料层、第二相变材料层均呈中部尺寸小于两端尺寸的形状；以第一二氧化硅支撑层为界，第一相变材料层、第一多晶硅沟道层、第一栅氧化层、第一栅电极分别与第二相变材料层、第二多晶硅沟道层、第二栅氧化层、第二栅电极呈90度。本发明能够实现高密度集成，同时不会有明显热串扰，保证存储器件可靠性。

技术研发人员：王大伟,赵文生,李妍仪,张搏文
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17