本發(fā)明屬于微電子器件及相變存儲器技術領域，更具體地，涉及一種非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元及器件。

背景技術：

相變存儲器單元的結構很大程度上決定了其性能，包括幾何構型，相變薄膜的厚度，電極的厚度等。下電極和相變材料的接觸面積s是影響相變存儲器性能的一個重要參數(shù)，隨著s的減小，相變區(qū)域的尺寸減小，操作電流也逐漸減小。提高半導體工藝的水平(如減小光刻工藝線寬)可以有效的減小接觸面積，從而減小操作電流，但是技術的更新需要大量的成本，因此可以從存儲單元結構等方面來盡可能的減小操作電流。

對相變存儲器來說，隨著存儲容量的增加，當特征尺寸縮小到65nm及以下時，相鄰相變存儲單元間的熱串擾問題十分嚴重。當不同相變單元之間的間隔太小(亞微米級)，其中某個相變單元進行數(shù)據(jù)讀寫操作時會產生很高的相變溫度，由于熱傳導效應，熱量會對鄰近非操作的相變單元產生一定的影響，使其溫度升高，當該非操作相變單元的溫度升高到一定程度，也會發(fā)生相變，導致原有信息的丟失，此即相變存儲器單元間的熱串擾問題。為了減小熱串擾問題，就需減小單元中加熱電極和相變材料之間的接觸面積，減小操作電流，使功能層局部加熱，盡量減小相變區(qū)域。

傳統(tǒng)t型結構相變存儲單元如圖1所示，兩層金屬電極之間的相變功能層材料通常為(ge2sb2te5)gst，周圍是絕緣材料sio2，在上下電極之間加窄而尖的脈沖時，與下電極接觸的相變材料發(fā)生相變轉變?yōu)楦咦璧姆蔷B(tài)，這樣整個單元就表現(xiàn)為高阻態(tài)，而相變材料與下電極的接觸面積s越小，操作電流就越小。

然而，上述現(xiàn)有解決方案仍然存在以下的技術問題：其最小尺寸受光刻最小尺寸的限制，同時t型相變單元的熱學性能較差，熱利用率較低，大部分熱量被耗散，既增加了功耗，也由于熱串擾現(xiàn)象會影響高密度器件單元陣列的集成。因此，如何設計一種抗熱串擾、低操作電流的相變存儲器單元器件結構以降低器件的功耗，已成為本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元及器件，采用該存儲單元制成存儲器器件能達到減小熱串擾，降低操作電流的目的。其中環(huán)狀電極使接觸面積更小，可以減小擦寫電流；同時，非對稱結構較傳統(tǒng)t型對稱結構有較優(yōu)的熱學性能，相變更局部，從而可有效減小熱串擾。

本發(fā)明提供了一種非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元，其膜層結構包括：

由導電材料形成的下電極層；

附著于所述下電極層表面的第一絕緣層，所述第一絕緣層開設有納米級第一小孔，所述第一小孔正對著下電極層；

附著于所述第一絕緣層表面的相變功能層；

附著于所述相變功能層表面的第二絕緣層，所述第二絕緣層開設有第二小孔；

附著于所述第二絕緣層表面且為導電材料的上電極層；

所述下電極層是環(huán)狀電極，為空心結構，其剖面圖為u型，電極芯由絕緣材料填充；

所述第一絕緣層中所述第一小孔的中心線、所述相變功能層的中心線和所述第二絕緣層中所述第二小孔的中心線均不在同一條直線上，發(fā)生左右偏移。

在本發(fā)明實施例中，相變功能層的中心線與第一小孔的中心線有一個偏移量，能夠有效的減小相變材料與下電極的接觸面積，同時下電極做成環(huán)狀，中間用絕緣材料填充，進一步減小了接觸面積，以達到減小reset電流的目的；上電極由水平方向貫通單元的電極條以及第二絕緣層的小孔組成；下電極則由垂直方向貫通單元的電極條以及中間填充絕緣材料的環(huán)狀電極組成。

更進一步地，下電極層、所述第一絕緣層、所述相變功能層、所述第二絕緣層和所述上電極層的厚度均在2nm～500nm；所述第一小孔的寬度為10nm～1um；所述第二小孔的寬度為10nm～2um；所述第一小孔內環(huán)狀金屬側壁厚度小于所述第一小孔半徑。

更進一步地，下電極層、所述第一絕緣層、所述相變功能層、所述第二絕緣層和所述上電極層厚度和寬度與所述第一小孔和所述第二小孔的寬度能根據(jù)實際需要等比例縮放。

更進一步地，相變功能層的材料為元素周期表中iva、va及via族元素的組合。

更進一步地，第一絕緣層和所述第二絕緣層的材料為sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c中的一種。

更進一步地，下電極層和所述上電極層的材料為tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun中的一種。

更進一步地，下電極層與所述相變功能層直接接觸的面積為圓環(huán)形，線寬尺寸為50nm及以下。

本發(fā)明還提供了一種由上述的非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元構成的存儲器件，包括：襯底、半導體層與絕緣層交替的堆疊結構、至少一個u型的環(huán)狀電極；所述半導體層與絕緣層交替的堆疊結構位于所述襯底上方，并且各半導體層和絕緣層的上下表面均與襯底的上表面平行；所述u型的環(huán)狀電極貫穿所述第一絕緣層。

在本發(fā)明實施例提供的非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元中，還可以有熱沉層結構以改善單元的產熱及散熱條件，并最終達到減小相鄰單元間熱串擾的目的。該熱沉層結構可以為每個存儲單元獨有，或為整個陣列或器件共同擁有。

更進一步地，該存儲器件的存儲體部分由成陣列分布的多個非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元構成。

本發(fā)明中，非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元構成的存儲器件，每個單元下電極為u型環(huán)狀結構，中心由絕緣材料填充，電極與相變材料的接觸面積均為納米級，非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元極大的減小了操作電流，改善熱串擾，提高存儲密度，降低寫入功耗。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)t型對稱相變存儲器單元縱向截面軸對稱結構示意圖。

圖2為本發(fā)明提出的非對稱環(huán)狀微電極相變存儲器單元縱向截面結構示意圖。

圖3為在具體仿真實例1中設計的普通電極相變存儲單元縱向截面結構示意圖。

圖4為在具體仿真實例1中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構示意圖。

圖5為在具體仿真實例1中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元中相變材料與下電極接觸面的俯視示意圖。

圖6為在具體仿真實例1中設計的普通電極相變存儲單元在脈沖寬度20ns的脈沖電流作用下得到的r-i曲線。

圖7為在具體仿真實例1中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元在脈沖寬度20ns的脈沖電流作用下得到的r-i曲線。

圖8為在具體仿真實例1中設計的普通電極相變存儲單元在reset時的溫度分布圖。

圖9為在具體仿真實例1中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元在reset時的溫度分布圖。

圖10為在具體仿真實例2中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構示意圖。

圖11為在具體仿真實例2中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元相變功能層中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量對reset電流以及窗口值的影響效果圖。

圖12為在具體仿真實例3中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構示意圖。

圖13為在具體仿真實例3中設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元第二絕緣層小孔中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量對reset電流以及窗口值的影響效果圖。

圖14為在具體仿真實例4中設計的添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相鄰相變存儲單元縱向截面結構圖。

圖15為在具體仿真實例4中設計的普通電極相鄰相變存儲器單元縱向截面結構圖。

圖16為在具體仿真實例4中設計的未添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相鄰相變存儲單元縱向截面結構圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及三維熱模擬實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明從器件結構入手，通過減小電極與相變材料的接觸面積，減小操作電流，在降低寫入功耗的同時減小單元間的熱串擾。

如圖2所示，本發(fā)明提供的非對稱環(huán)狀微電極相變存儲器單元包括由下至上依次疊置的下電極層、第一絕緣層、相變功能層、第二絕緣層、上電極層。

下電極層可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等導電材料，其寬度l6范圍為10nm～1um，厚度h5范圍為2nm～500nm。納米級線寬可以減小相變單元面積和相鄰兩單元間間距，增加存儲密度。

第一絕緣層處于下電極表面，第一絕緣層可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c等材料。第一絕緣層寬度l4范圍為40nm～5um，厚度h4范圍為2nm～500nm。第一絕緣層開有小孔，且小孔正對著下電極，小孔寬度l5為10nm～1um。小孔內部填充導電材料側壁和絕緣材料芯，導電側壁的厚度小于小孔寬度的一半。第一絕緣層小孔的寬度直接決定了下電極與相變材料的接觸面積，接觸面積越小，單元所需擦寫電流越小。

相變功能層處于第一絕緣層表面，相變功能層可采用元素周期表中iva、va及via族元素的組合。相變功能層寬度l3范圍為40nm～3um，厚度h3范圍為2nm～500nm，相變功能層通過第一絕緣層上的小孔中的導電側壁與下電極層相接觸。相變功能層要覆蓋住下絕緣層小孔，且寬度不能超過下絕緣層。

第二絕緣層處于相變功能層表面，第二絕緣層可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、ta2o5、非晶si或c等材料。第二絕緣層寬度l1范圍為40nm～5um，厚度h2范圍為2nm～500nm。第二絕緣層開有小孔，小孔寬度l2為10nm～2um。第二絕緣層小孔使上電極與相變材料接觸，其寬度與第一絕緣層小孔相同或略大。

上電極層處于第二絕緣層表面，上電極層通過第二絕緣層上的小孔與相變功能層相接觸。上電極可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等導電材料，其寬度范圍為10nm～1um，厚度h1范圍為2nm～500nm。納米級線寬可以減小相變單元面積和相鄰兩單元間間距，增加存儲密度。

本發(fā)明對上、下絕緣層上小孔的具體位置沒有特殊的要求，只要保證第一絕緣層小孔中心線、相變功能層中心線以及第二絕緣層小孔中心線均不在同一條直線上，發(fā)生左右偏移即可。相變材料的中心線與第一絕緣層小孔的中心線有一個偏移量，這樣能夠有效的減小相變材料與下電極的接觸面積，同時下電極做成環(huán)狀，中間用絕緣材料填充，進一步減小了接觸面積，以達到減小reset電流的目的；上電極由水平方向貫通單元的電極條以及第二絕緣層的小孔組成；下電極則由垂直方向貫通單元的電極條以及中間填充絕緣材料的環(huán)狀電極組成。

需要注意的是，下電極層、第一絕緣層、相變功能層、第二絕緣層、上電極層的寬度和厚度以及第一絕緣層小孔、第二絕緣層小孔的寬度都可以根據(jù)實際需要進行等比例縮放。

非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元，可以有熱沉層結構以改善單元的產熱及散熱條件。該熱沉層結構可以為每個存儲單元獨有，或為整個陣列或器件共同擁有。

以下給出運用非對稱環(huán)狀微電極相變存儲單元制備相變存儲器的一種方法：

首先在硅襯底或半導體襯底(包括mos的雜質擴散區(qū)，漏源區(qū)，電極引線，通孔，或者pn二極管，雙極晶體管等)通過電子束光刻并濺射沉積導電的下電極層，所述下電極層可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等導電材料。

然后，在已形成的下電極層的表面通過電子束光刻及熱固化制備第一絕緣層及其小孔，所述第一絕緣層可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、非晶si或c等材料。

然后，在已形成的第一絕緣層的表面鍍一層薄導電材料，再濺射沉積一層絕緣材料，并用化學機械拋光打磨形成環(huán)狀下電極。

然后，在已形成環(huán)狀電極的第一絕緣層的表面通過電子束光刻并濺射沉積相變功能層，所述相變功能層可采用元素周期表中iva、va及via族元素的組合。

然后，在已形成的相變功能層的表面通過電子束光刻及熱固化制備第二絕緣層及其小孔，所述第二絕緣層可采用sio2、zro2、tio2、y2o3、非晶si或c等材料。

然后，在已形成的第二絕緣層的表面通過電子束光刻并濺射沉積導電的上電極層，上電極層可采用tiw、w、tin、ta、pt、ag、cu或cun等導電材料。

實施例1：

在本實施例中，三維熱模擬仿真所設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構圖如圖4所示，相變材料與下電極接觸面的俯視圖如圖5所示，普通電極相變存儲單元縱向截面結構圖如圖3所示。討論非對稱環(huán)狀電極結構與普通t型電極結構對reset電流的影響。整個非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元的形狀為長方體；第一絕緣層小孔、第二絕緣層小孔以及相變材料均為圓柱體。圖4中h5為下電極層的厚度，h4為第一絕緣層中環(huán)狀電極小孔的厚度，r為環(huán)狀電極小孔中心填充的絕緣材料半徑，h2為第二絕緣層小孔的厚度，h1為上電極層的厚度，h3為相變功能層的厚度，特征尺寸l6為第一絕緣層小孔的半徑，l2為第二絕緣層小孔的半徑，l3為相變功能層半徑，s為相變功能層中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量，t為第二絕緣層小孔中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量。

普通電極相變存儲單元為t型結構，第一絕緣層小孔中心線、相變功能層中心線和第二絕緣層小孔中心線均在同一條直線上，上下電極均為實心結構，結構整體左右對稱。圖3中h5為下電極層的厚度，h4為第一絕緣層的厚度，h2為第二絕緣層的厚度，h1為上電極層的厚度，h3為相變功能層的厚度，特征尺寸l6為第一絕緣層小孔的半徑，l2為第二絕緣層小孔的半徑，l3為相變功能層半徑。

兩種結構的h2＝h1＝h5＝h3＝10nm，h4＝100nm，l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝22nm。非對稱環(huán)狀電極結構相變功能層中心線遠離第一絕緣層小孔中心線的偏移量s＝8nm，第二絕緣層小孔中心線遠離第一絕緣層小孔中心線的偏移量t＝22nm，絕緣材料半徑r＝6nm。兩種結構中的相變材料均選用gst，厚度相同。

上述普通單元結構和非對稱環(huán)狀電極結構的電阻值隨脈沖電流i的變化如圖6和圖7所示，脈沖寬度為20ns。從圖6中可以看出，當電流脈沖幅值i小于16.15ua時，普通單元的電阻幾乎沒有變化，說明此時相變材料與下電極接觸處的溫度并沒有達到相變溫度(gst的相變溫度為300℃，是相變材料的一種物理特性)，相變材料并沒有開始發(fā)生相變；當電流脈沖幅值i大于16.75ua時，單元的電阻開始急速增大，說明此時相變材料與下電極接觸處的溫度已經開始超過相變溫度，部分的相變材料轉變?yōu)榉蔷B(tài)；當電流脈沖幅值i繼續(xù)增大到17.81ua以上時，單元的電阻值幾乎不變，說明此時相變材料已經完全相變，電阻值不再增大。因此取電阻完成跳變處的電流脈沖幅值i＝17.81ua作為普通單元的reset電流。同樣，從圖7中可以看出，取電阻完成跳變處的電流脈沖幅值i＝8.34ua作為非對稱環(huán)狀電極單元的reset電流。上述曲線表明，對所述普通單元結構的reset電流脈沖幅值為17.81ua，非對稱環(huán)狀電極結構的reset電流脈沖幅值為8.34ua。由此可見，非對稱環(huán)狀電極結構的相變存儲單元reset操作所需功耗較低。

上述普通結構和非對稱環(huán)狀電極結構在reset時的溫度分布圖分別如圖8和圖9所示。從上述圖中可以看出，對普通單元施加幅值為17.81ua的reset電流脈沖，對非對稱環(huán)狀電極單元施加幅值為8.34ua的reset電流脈沖，圖中紅色區(qū)域為溫度最高區(qū)域，故所述非對稱環(huán)狀電極結構施加更小的電流脈沖就能達到更高的溫度，這是由于相變材料與下電極的接觸面積減小使得電流密度增大，產熱更為集中，這樣較低的電流就能使得覆蓋下電極的相變材料相變完成reset過程。

實施例2：

本實施例討論非對稱環(huán)狀電極結構中相變功能層中心線與第一絕緣層中心線偏移量s對reset電流的影響。所設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構圖如圖10所示。為了分析的方便第二絕緣層小孔的中心線和相變功能層的中心線是重合的，即第二絕緣層小孔的中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量t和相變功能層中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量s是相等的。下電極層的厚度為h5＝10nm，第一絕緣層中環(huán)狀電極小孔的厚度為h4＝100nm，環(huán)狀電極小孔中心填充的絕緣材料半徑為r＝6nm，上電極孔的厚度為h2＝10nm，上電極層的厚度為h1＝10nm，相變功能層直徑為l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝22nm。

上述非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元的相變功能層中心線遠離第一絕緣層中心線的偏移量s對reset電流以及窗口值的影響效果圖如圖11所示。從圖中可以看出隨著相變功能層偏移量s的增大，reset電流急劇減小，這是由于隨著相變功能層的偏移，其與下電極的接觸面積s也急劇減小。而且相變功能層的偏移會使得電流通路l變長，s減小，l增大會導致單元相變前的電阻變大，同時接觸面積的減小使得相變區(qū)域變小，這樣單元相變后的電阻也會變小，最終會使得窗口值的大幅減小。因此相變功能層中心線遠離第一絕緣層中心線的偏移量不能太大。

實施例3：

本實施例討論非對稱環(huán)狀電極結構中第二絕緣層中心線與第一絕緣層中心線偏移量t對reset電流的影響。所設計的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元縱向截面結構圖如圖12所示。相變功能層中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量s＝15nm，下電極層的厚度為h5＝10nm，第一絕緣層中環(huán)狀電極小孔的厚度為h4＝100nm，環(huán)狀電極小孔中心填充的絕緣材料半徑為r＝6nm，上電極孔的厚度為h2＝10nm，上電極層的厚度為h1＝10nm，相變功能層直徑為l3＝30nm，特征尺寸l2＝l6＝30nm。

上述非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元的第二絕緣層小孔中心線遠離第一絕緣層小孔中心線的偏移量t對reset電流脈沖幅值以及窗口值的影響效果圖如圖13所示。從圖中可以看出隨著第二絕緣層小孔中心線的偏移reset電流逐漸降低，窗口值也逐漸降低。由于電流從第二絕緣層小孔流入相變功能層，在到達下電極之前要水平通過相變功能層，因此第二絕緣層小孔偏移量的增大會導致電流通路的增長，使得相變功能層表現(xiàn)出的電阻變大，reset電流降低。由此可見，非對稱環(huán)狀微電極結構可以有效降低reset電流。

實施例4：

在本實施例中所設計的添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相變存儲器相鄰單元縱向截面結構圖如圖14所示。普通電極相變存儲器相鄰單元縱向截面結構圖如圖15所示。未添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相變存儲器相鄰單元縱向截面結構圖如圖16所示。熱沉層采用的材料是sno2，其厚度為50nm。單元間距c為77nm。相變功能層中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量s＝18nm，第二絕緣層小孔中心線與第一絕緣層小孔中心線的偏移量t＝22nm，下電極層的厚度為10nm，第一絕緣層中環(huán)狀電極小孔的厚度為100nm，環(huán)狀電極小孔中心填充的絕緣材料半徑為r＝6nm，三種結構中相變功能層材料相同，厚度均為10nm，上電極孔的厚度為10nm，上電極層的厚度為10nm，特征尺寸l5＝22nm。

對所述添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元施加寬度為20ns，幅值不同的電流脈沖使得工作單元的最高溫度達到900℃，鄰近單元的最高溫度為115.57℃，工作單元的reset電流脈沖幅值為15.83ua。

對所述普通電極相變存儲單元施加寬度為20ns，幅值不同的電流脈沖使得工作單元的最高溫度達到900℃，鄰近單元的最高溫度為402℃，工作單元的reset電流脈沖幅值為24.03ua。

對所述未添加熱沉層的非對稱環(huán)狀電極相變存儲單元施加寬度為20ns，幅值不同的電流脈沖使得工作單元的最高溫度達到900℃，鄰近單元的最高溫度為307.30℃，工作單元的reset電流脈沖幅值為11.95ua。

對工作單元進行reset操作過程中，普通結構中鄰近單元的最高溫度遠大于相變材料的晶化溫度(125℃)，說明單元之間存在嚴重的熱串擾。非對稱環(huán)狀電極結構由于發(fā)熱部分集中在與下電極接觸的地方，更為遠離鄰近的單元，因此鄰近單元的最高溫度有所降低。增加熱沉層使得鄰近單元的最高溫度小于相變材料的晶化溫度，相比未添加熱沉層的情況降低了62.4％，有效的降低了相鄰單元間的熱串擾，雖然同時會使得reset電流稍微增大(因為熱沉層有利于單元散熱)，但是也比普通結構的操作電流降低了34.1％。由此，這種非對稱環(huán)狀電極結構具有抗熱串擾，降低reset電流的作用。同時，這種非對稱環(huán)狀電極結構也可添加熱沉層以進一步減小熱串擾。

由此可見，對于所述非對稱環(huán)狀電極結構的相變存儲單元或器件，可以通過增加熱沉層結構以改善單元或器件的產熱及散熱條件，并最終達到減小相鄰單元間熱串擾的目的。本實施例中增加的熱沉層結構是一層為整個陣列或器件共同擁有的熱沉層薄膜，在實際的相變存儲單元或器件中，該熱沉層結構可以為每個存儲單元獨有，是每個獨立存儲單元膜層結構中的一部分。

通過以上構思，本發(fā)明能夠有效減小超高密度相變存儲器單元間的熱串擾，并降低單元操作電流。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。