專利名稱:動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種存儲(chǔ)器,尤其涉及一種低功耗的動(dòng)態(tài)相變存 儲(chǔ)器。
背景技術(shù):
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是信息技術(shù)的基礎(chǔ),在全球范圍內(nèi)具有數(shù)千億美金的市場(chǎng)。作為下一代通 用的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器最有希望的候選者,相變存儲(chǔ)器(PCRAM)得到了廣泛的關(guān)注, 它即將部分取代閃存(Flash),從而成為最重要的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器之一。但是,PCRAM的缺點(diǎn)在于其相對(duì)較高的編程功耗,因?yàn)樵赗ESET過(guò)程中(從低電阻轉(zhuǎn) 變到高電阻,即從多晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?,存儲(chǔ)器需要通過(guò)一個(gè)較大功耗的電脈沖將存儲(chǔ)器中的相 變材料加熱到熔點(diǎn)以上,進(jìn)而通過(guò)驟冷的過(guò)程使其非晶化,得到高電阻態(tài),而SET過(guò)程中僅 需要加熱到結(jié)晶溫度以上,所以SET的功耗要遠(yuǎn)小于RESET過(guò)程,圖1所示為PCRAM單元 的編程過(guò)程;PCRAM器件的可擦寫次數(shù)有限,約為108次左右,這很大程度上是因?yàn)槠骷?采用了較大的功耗的緣故,RESET編程過(guò)程中產(chǎn)生的高熱量使PCRAM中相變材料與加熱電 極以及氧化物的界面更容易地產(chǎn)生擴(kuò)散等影響,最終影響到了器件的疲勞特性,有限的可擦 寫次數(shù)是PCRAM無(wú)法完全取代動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的重要原因;此外,PCRAM編程 速率與DRAM相比相對(duì)較慢,這是PCRAM在未來(lái)替代DRAM的另外一個(gè)障礙。到目前位置,DRAM因?yàn)槠涓咚俸湍陀玫葍?yōu)勢(shì)依然在信息技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用,是 諸多電子設(shè)備中不能缺少的部件,DRAM在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將發(fā)揮著重要的左右。例如在 計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中,它的作用依然不能替代,因?yàn)镈RAM相比硬盤具有較快的速度,較低的功 耗,并且價(jià)格便宜。而DRAM的原理決定了對(duì)器件信息的讀取過(guò)程就會(huì)刷新器件中存儲(chǔ)的數(shù) 據(jù),并且存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)往往只能保持?jǐn)?shù)十ms,必須要按時(shí)進(jìn)行刷新,否則數(shù)據(jù)就會(huì)丟失, 所以,DRAM中有近1%的編程時(shí)間要用來(lái)對(duì)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新。如果能夠發(fā)明一種介于相變存儲(chǔ)器和DRAM之間的存儲(chǔ)技術(shù),它將在存儲(chǔ)器市場(chǎng)中占據(jù) 重要的一席之地。這種理想技術(shù)的特點(diǎn)在于相比于PCRAM具有較低的功耗、較快的速度, 而相比于DRAM具有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間,如此便能夠大大減少刷新的次數(shù),從而大幅降低 器件功耗。以下,舉個(gè)例子說(shuō)明此種存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用范圍和前景Google作為搜索引擎的楷模創(chuàng)造了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的奇跡,在這些類似的搜索引擎中,數(shù)據(jù)的搜索主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取,在搜索過(guò)程中,計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需大量的功耗而產(chǎn)生的巨額電 費(fèi)的支出成為搜索引擎公司最重要的成本之一,而這些功耗的大部分來(lái)自于存儲(chǔ)器的工作, 特別是DRAM的消耗因?yàn)椴煌5赜凶x取數(shù)據(jù)庫(kù)信息的請(qǐng)求來(lái)完成搜索任務(wù),而其中,DRAM 不斷的刷新所需的功耗占據(jù)了總功耗的大部分。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種低功耗的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,所述存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)采用具有較低熔點(diǎn)和較低結(jié)晶溫度的相變材料;所述相變材料的熔點(diǎn)在20(TC到64(TC之間,且其結(jié)晶溫度在4(TC到12(TC之間;所述存儲(chǔ)器包括定期刷新模塊,用以定期地對(duì)存儲(chǔ)有高電阻態(tài)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新,使電阻 下降的單元重新設(shè)定到高電阻態(tài)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述相變材料的熔點(diǎn)在20(TC到50(TC之間。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述存儲(chǔ)器的功耗小于20mW ;優(yōu)選地,存儲(chǔ)器的功耗小 于10mW。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述相變材料在電信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)高電阻和低電阻之間 的可逆變化。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述相變材料為SbTe合金材料、或AglnSbTe合金、或Sb 材料、或?qū)b材料進(jìn)行的慘雜、或Sn基相變材料、或GeSbTe合金。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述存儲(chǔ)器為雙級(jí)存儲(chǔ),或?yàn)槎嗉?jí)存儲(chǔ)。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器使動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件大大降低了 所需要刷新的次數(shù),并且與傳統(tǒng)的PCRAM相比具有更低的功耗;同時(shí)由于采用小信號(hào)進(jìn)行 編程,所以動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的疲勞特性大為改善。這種低功耗的存儲(chǔ)器在目前倡導(dǎo)節(jié)能的時(shí) 代具有廣闊的應(yīng)用前景。此外,在諸如便攜式設(shè)備等應(yīng)用中也有較大優(yōu)勢(shì),在不增加電池容 量的前提下將大幅延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。
圖1為動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2A為處于完全多晶狀態(tài)的存儲(chǔ)單元截面圖。圖2B為經(jīng)RESET之后的器件單元截面圖。圖3為動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器和傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器的RESET過(guò)程比較示意圖。圖4為動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器和傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器的高溫?cái)?shù)據(jù)保持能力比較示意圖。圖5為動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的狀態(tài)隨時(shí)間變化示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明的目的在于提供一種新型的存儲(chǔ)器一一動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其是利用相變材料在高 電阻和低電阻之間的可逆變化來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器的差 異在于動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器采用具有較低熔點(diǎn)的相變材料作為存儲(chǔ)介質(zhì),因此,在RESET (非 晶化)過(guò)程中只需提供一個(gè)較弱的電信號(hào),就能夠?qū)崿F(xiàn)器件的編程操作。擁有較低熔點(diǎn)的相 變材料一般情況下會(huì)擁有較低的結(jié)晶溫度,而存儲(chǔ)介質(zhì)具有較低的結(jié)晶溫度就會(huì)使得它能夠 較為容易地在環(huán)境溫度中發(fā)生結(jié)晶,從而造成器件電阻的逐步下降,進(jìn)而可導(dǎo)致存儲(chǔ)器中存 儲(chǔ)信息的丟失,故需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)刷新。所述相變材料的熔點(diǎn)在200'C到64(TC之間,且其結(jié)晶溫度在4(TC到12(TC之間。相變材 料為SbTe合金材料、或AglnSbTe合金、或Sb材料、或?qū)b材料進(jìn)行的摻雜、或Sn基相變 材料、或GeSbTe合金。本實(shí)施例中,相變材料的熔點(diǎn)在35(TC-540。C之間,可以為420°C、 450°C、 480。C、 500°C;其結(jié)晶溫度在70。C到100。C之間,可以為75°C、 80°C、 91°C、 95°C、 99°C。所述存儲(chǔ)器包括定期刷新模塊,用以定期地對(duì)存儲(chǔ)有高電阻態(tài)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新, 使電阻下降的單元重新設(shè)定到高電阻態(tài)。動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器相比于相變存儲(chǔ)器具有較低的功耗(小于10mW,如3mW 、 5 mW、 7 mW),但是由于器件數(shù)據(jù)保持能力較弱,所以需要定期的刷新;動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器相比于DRAM, 它所需的刷新次數(shù)更少,總功耗更低,使得動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器可以替代DRAM的功用,從而在 低功耗的應(yīng)用中有重要的應(yīng)用前景。制造工藝請(qǐng)參閱圖l,圖l介紹了本發(fā)明存儲(chǔ)器的制造工藝。利用半導(dǎo)體工藝在硅襯底14上利用熱氧化制造出厚度為600nm的氧化硅絕緣層15,隨 后,采用磁控濺射法沉積厚度為200nm的Al公共電極16。光刻出鋁導(dǎo)線后,采用氣相沉積 法在鋁電極上方沉積氧化硅層17,采用光刻法在氧化硅層中形成孔洞,直徑為260nm。隨后氣相沉積W材料,經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光平坦化后形成W栓。依次沉積硅摻雜量為百分之一原子 比的Sb材料12和TiN電極13,采用的方法均為磁控濺射法,兩層薄膜的厚度分別為100nm 和30nm。光刻摻硅的Sb材料12和TiN電極13,填充氧化硅19,經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光平坦化, 去除覆蓋在TiN電極13上方的氧化硅。沉積A1上電極,厚度為300nm,光刻后,分別引出 存儲(chǔ)單元上電極20和公共鋁電極21,最終得到的電阻轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元器件的截面示意圖如圖 l所示。編程方法以下結(jié)合圖2A及圖2B介紹本發(fā)明存儲(chǔ)器的編程方法。以上的制造工藝與傳統(tǒng)的相變存 儲(chǔ)器類似,編程過(guò)程如圖2A和2B所示。利用加熱電極11通過(guò)電脈沖對(duì)存儲(chǔ)單元中的相變材 料12進(jìn)行編程,形成非晶(12A)或者多晶結(jié)構(gòu)12。圖2B中,灰度區(qū)域?yàn)榉蔷Щ瘏^(qū)域。圖3所示虛線就是動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的編程曲線,而實(shí)線所示就是傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器的編程 曲線。由于動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器采用熔點(diǎn)較低的相變材料,所以RESET電壓Vi要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng) PCRAM的V2。動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器采用低熔點(diǎn)的相變材料,所以具有較低的編程電壓。數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試主要測(cè)試在器件的電阻在高溫烘烤過(guò)程中的變化趨勢(shì),如圖4所示。在傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ) 器中,因?yàn)椴捎玫南嘧儾牧辖Y(jié)晶溫度較高,所以電阻下降較慢,失效時(shí)間Te就會(huì)較長(zhǎng);而在 動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器中由于相變材料的結(jié)晶溫度較低,數(shù)據(jù)保持能力較差,所以失效時(shí)間Tn就會(huì)小于Tf2。由此可知,動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器需要在Tfl之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的刷新,使器件的電阻重新回到高阻態(tài)。數(shù)據(jù)的刷新數(shù)據(jù)在保存過(guò)程中,因?yàn)閿?shù)據(jù)有兩個(gè)狀態(tài),如果是低阻態(tài),就不存在數(shù)據(jù)失效的問(wèn)題; 而如果是高阻態(tài),電阻值會(huì)隨著時(shí)間的增加而下降,當(dāng)電阻下降到一定的標(biāo)準(zhǔn)以下(或者說(shuō) 時(shí)間超過(guò)了失效時(shí)間Tfl時(shí)),此時(shí),就需要通過(guò)一個(gè)電信號(hào)將此單元的數(shù)據(jù)重新設(shè)定到高阻 態(tài),刷新的過(guò)程如圖5所示。隨著使用過(guò)程中時(shí)間的變化,高阻態(tài)的電阻值逐漸下降,下降到失效標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候,就需 要用一個(gè)刷新的信號(hào)重新使存儲(chǔ)單元達(dá)到高阻態(tài)。以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。不脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修 改或局部替換,均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)采用具有較低熔點(diǎn)和較低結(jié)晶溫度的相變材料;所述相變材料的熔點(diǎn)在200℃到640℃之間,且其結(jié)晶溫度在40℃到120℃之間;所述存儲(chǔ)器包括定期刷新模塊,用以定期地對(duì)存儲(chǔ)有高電阻態(tài)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新,將電阻下降的單元重新設(shè)定到高電阻態(tài)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述相變材料的熔點(diǎn)在20(TC到 500'C之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述存儲(chǔ)器用較低的功耗對(duì)器件進(jìn)行編程,功耗小于20mW。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述存儲(chǔ)器的功耗小于10mW。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述相變材料在電信號(hào)的作用下實(shí) 現(xiàn)高電阻和低電阻之間的可逆變化。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述相變材料為SbTe合金材料、 或AglnSbTe合金、或Sb材料、或?qū)b材料進(jìn)行的摻雜、或Sn基相變材料、或GeSbTe 公仝
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,其特征在于所述存儲(chǔ)器為雙級(jí)存儲(chǔ),或?yàn)槎嗉?jí) 存儲(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器,所述存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)采用具有較低熔點(diǎn)和較低結(jié)晶溫度的相變材料;所述相變材料的熔點(diǎn)在200℃到640℃之間,且其結(jié)晶溫度在40℃到120℃之間。所述存儲(chǔ)器還包括定期刷新模塊,用以定期地對(duì)存儲(chǔ)有高電阻態(tài)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新,將電阻下降的存儲(chǔ)單元重新設(shè)定到高電阻態(tài)。所述存儲(chǔ)器用較低的功耗對(duì)器件進(jìn)行編程。本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器使動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件大大降低了所需要刷新的次數(shù),并且與傳統(tǒng)的PCRAM相比具有更低的功耗;同時(shí)由于采用小信號(hào)進(jìn)行編程,所以動(dòng)態(tài)相變存儲(chǔ)器的疲勞特性大為改善。
文檔編號(hào)G11C11/56GK101315811SQ20081004085
公開(kāi)日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者波 劉, 宋志棠, 封松林, 挺 張, 陳邦明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所