專(zhuān)利名稱(chēng)：：可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種微電子
技術(shù)領(lǐng)域：
的器件，具體地說(shuō)，是一種可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：相變存儲(chǔ)器(PhaseChangeMemory，PRAM)是以存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生相變?yōu)楹诵?，其原理是存?chǔ)介質(zhì)由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生晶態(tài)-非晶態(tài)之間的可重復(fù)轉(zhuǎn)變，從而使存儲(chǔ)單元在低阻-高阻狀態(tài)之間可逆變化。當(dāng)切斷電源之后，PRAM仍能保持所存儲(chǔ)的信息，因此特別適用于便攜式的移動(dòng)信息終端。PRAM的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠高速地讀出和書(shū)寫(xiě)信息，并且耐久性方面也十分出色，可實(shí)現(xiàn)1013次以上的無(wú)故障寫(xiě)入/擦除操作，使得生產(chǎn)出的存儲(chǔ)器能夠像低功率非易失性RAM一樣進(jìn)行操作，是極有潛力的新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)器。另一方面，如果能夠在相變存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)技術(shù)(Multibitormultilevel)，則可以在不降低存儲(chǔ)單元尺寸的條件下，有效地增加單位面積下的存儲(chǔ)密度，達(dá)到提高存儲(chǔ)密度和容量的目的。要在相變存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)，每個(gè)單元的存儲(chǔ)介質(zhì)必須具有至少4種狀態(tài)，即4個(gè)電阻值，才能滿(mǎn)足電路對(duì)輸出信號(hào)的編碼要求(對(duì)應(yīng)2個(gè)比特)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為5406509，公開(kāi)日為1995年4月11日，
專(zhuān)利名稱(chēng)：為Electricallyerasable，directlyoverwritable，multibitsinglecellmemoryelementsandarraysfabricatedtherefrom(可電擦寫(xiě)、可直接重寫(xiě)的多位存儲(chǔ)單元及由此制備的陣列)，該專(zhuān)利為了在相變存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)，簡(jiǎn)單地采用單層硫族化合物薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，在初始態(tài)(如晶態(tài))的基礎(chǔ)上，采用逐漸增加的電流脈沖，實(shí)現(xiàn)硫族化合物薄膜的部分非晶化，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)電阻值。但是單層相變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)在重新寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的重復(fù)性將存在問(wèn)題。因?yàn)樵俅尉Щ蟮牧蜃寤衔锉∧け仨氃谕瑯哟笮〉碾娒}沖下，達(dá)到同樣的非晶化比例，并且非晶化比例必須控制得十分精確，才能得到同樣的電阻值，而這在實(shí)際操作中是難以達(dá)到的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，使其有效提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，并且提高多位存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括基底、下電極、相變層、加熱層、阻擋層、上電極、絕緣側(cè)壁，基底設(shè)在最下層，在基底的上面設(shè)有下電極，上電極設(shè)在最上層，在下電極和上電極之間設(shè)有至少三層相變層，上電極與相變層之間、下電極與相變層之間以及相變層之間設(shè)有阻擋層，每個(gè)相變層中間設(shè)有加熱層，下電極、相變層、加熱層、阻擋層和上電極均設(shè)在絕緣側(cè)壁的細(xì)孔里。所述的相變層，其材料為硫系化合物及硫系化合物與N、O、Si或Sn的摻雜物。硫系化合物在非晶態(tài)和晶態(tài)之間或者不同晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)可編程性能。所述的加熱層，其下層的厚度比上層的厚。所述的阻擋層是具有孔徑小于30納米的多孔性薄層。所述的孔，其中有導(dǎo)電通道。以存儲(chǔ)單元含三層相變介質(zhì)為例，原始器件的電阻形態(tài)是[晶態(tài)/晶態(tài)/晶態(tài)]。當(dāng)器件工作時(shí)，電流從下電極流入，由于基底的絕緣作用，電流方向指向第一相變層(三層相變層中，最下層的相變層)。在施加一個(gè)較小的電流脈沖的情況下，當(dāng)電流流經(jīng)第一相變層中間的第一加熱層(三層加熱層中，最下層的加熱層)時(shí)，第一加熱層產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)第一相變層起到加熱作用，使第一相變層溫度升高至熔點(diǎn)以上并急冷發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，與此同時(shí)，第二加熱層(三層加熱層中，中間的加熱層)、第三加熱層(三層加熱層中，最上層的加熱層)也同樣因有電流流過(guò)而發(fā)熱，但因?yàn)楹穸容^第一加熱層小，產(chǎn)生的熱量不足以使與之相鄰的第二相變層(三層相變層中，中間的相變層)，第三相變層(三層相變層中，最上層的相變層)的溫度達(dá)到熔點(diǎn)，因此不會(huì)發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[非晶/晶態(tài)/晶態(tài)]的電阻形態(tài)，電流最后經(jīng)由上電極流出。同樣道理，當(dāng)施加一個(gè)中等電流脈沖時(shí)，電流流向與工作原理與上述過(guò)程一樣，只是由于電流值增大，使得第一加熱層和第二加熱層的發(fā)熱量均足以使相鄰的第一相變層，第二相變層發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，但第三加熱層因?yàn)楹穸容^第一加熱層和第二加熱層小，發(fā)熱量仍不足以使第三相變層發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[非晶/非晶/晶態(tài)]的電阻形態(tài)。同理，當(dāng)施加一個(gè)較大電流脈沖時(shí)，第一加熱層，第二加熱層，第三加熱層的發(fā)熱量均足以使相鄰的第一相變層，第二相變層，第三相變層溫度達(dá)到熔點(diǎn)而發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[非晶/非晶/非晶]的電阻形態(tài)。以上四種電形態(tài)分別對(duì)應(yīng)四個(gè)穩(wěn)定的電阻值，由此可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)。四層阻擋層所起到的作用是是防止各相變層之間的擴(kuò)散和熱串?dāng)_，周邊絕緣側(cè)壁的作用是定義存儲(chǔ)單元尺寸并防止存儲(chǔ)單元之間的擴(kuò)散和熱串?dāng)_。本發(fā)明的另一種形式為基底、下電極、相變材料不同的相變層、加熱層、上電極、絕緣側(cè)壁，基底設(shè)在最下層，在基底的上面設(shè)有下電極，上電極設(shè)在最上層，在下電極和上電極之間設(shè)有至少三層相變材料不同的相變層，至少有一層相變層中間設(shè)有加熱層，下電極、相變層、加熱層和上電極均設(shè)在絕緣側(cè)壁的細(xì)孔里。所述的相變層，其材料為硫系化合物及硫系化合物與N、O、Si或Sn的摻雜物。硫系化合物在非晶態(tài)和晶態(tài)之間或者不同晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)可編程性能。以存儲(chǔ)單元含三層相變介質(zhì)、中間一層相變層的中間設(shè)有加熱層為例，原始器件的電阻形態(tài)是[非晶/非晶/非晶]。當(dāng)器件工作時(shí)，電流從下電極流入，由于基底的絕緣作用，電流方向指向第一相變層(三層相變層中，最下層的相變層)。在施加一個(gè)較小的電流脈沖的情況下，加熱層產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)第一相變層、第二相變層(三層相變層中，中間的相變層)、第三相變層(三層加熱層中，最上層的加熱層)均起到加熱作用，但第一相變層、第二相變層、第三相變層的相變材料各不相同，晶化轉(zhuǎn)變溫度也不同?？拷訜釋拥牡诙嘧儗勇氏冗_(dá)到其晶化溫度而發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，與此同時(shí)，第一相變層、第三相變層由于晶化轉(zhuǎn)變溫度較高，溫度達(dá)不到晶化溫度，因此不會(huì)發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[非晶/晶態(tài)/非晶]的電阻形態(tài)，電流最后經(jīng)由上電極流出。同樣道理，當(dāng)施加一個(gè)中等電流脈沖時(shí)，電流流向與工作原理與上述過(guò)程一樣，只是由于電流值增大，使得第一相變層、第二相變層均達(dá)到各自晶化溫度而發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，而第三相變層不發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[晶態(tài)/晶態(tài)/非晶]的電阻形態(tài)。同理，當(dāng)施加一個(gè)較大電流脈沖時(shí)，第一相變層、第二相變層、第三相變層溫度均達(dá)到各自晶化溫度而發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷這樣工作過(guò)程的器件呈現(xiàn)出[晶態(tài)/晶態(tài)/晶態(tài)]的電阻形態(tài)。以上四種電形態(tài)分別對(duì)應(yīng)四個(gè)穩(wěn)定的電阻值，由此可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)。周邊絕緣側(cè)壁的作用是定義存儲(chǔ)單元尺寸并防止存儲(chǔ)單元之間的擴(kuò)散和熱串?dāng)_。本發(fā)明突破傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的二位存儲(chǔ)模式，在同樣的存儲(chǔ)單元面積下可以實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)，使存儲(chǔ)信息量成倍增加，大幅度提高單位面積下的存儲(chǔ)密度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的多位存儲(chǔ)器具有較好的穩(wěn)定性，可以保證數(shù)據(jù)讀取的重復(fù)性，提高了多位存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。從而實(shí)現(xiàn)高密度、高穩(wěn)定性、可反復(fù)擦寫(xiě)的新一代不揮發(fā)存儲(chǔ)器。圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明包括基底1、下電極2、相變層3、4、5、加熱層6、7、8、阻擋層9、10、11、12、上電極13、絕緣側(cè)壁14，基底1設(shè)在最下層，在基底1的上面設(shè)有下電極2，上電極13設(shè)在最上層，在下電極2和上電極13之間設(shè)有相變層3、4、5，阻擋層9設(shè)在下電極2與相變層3之間，阻擋層12設(shè)在相變層5與上電極13之間，阻擋層10設(shè)在相變層3和相變層4之間，阻擋層11設(shè)在相變層4和相變層5之間，加熱層6、7、8分別設(shè)在相變層3、4、5的中間，下電極2、相變層3、4、5、加熱層6、7、8、阻擋層9、10、11、12和上電極13均設(shè)在絕緣側(cè)壁14的細(xì)孔里。所述的相變層3、4、5，其材料為硫系化合物及硫系化合物與N、O、Si或Sn的摻雜物。硫系化合物在非晶態(tài)和晶態(tài)之間或者不同晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)可編程性能。所述的加熱層6的厚度較加熱層7厚。所述的加熱層7的厚度較加熱層8厚。所述的阻擋層9、10、11、12是具有孔徑小于30納米的多孔性薄層。所述的孔，其中有導(dǎo)電通道。實(shí)施例2如圖2所示，本發(fā)明包括基底1、下電極2、相變材料不同的相變層3、4、5、加熱層6、上電極13、絕緣側(cè)壁14，基底1設(shè)在最下層，在基底1的上面設(shè)有下電極2，上電極13設(shè)在最上層，在下電極2和上電極13之間設(shè)有相變層3、4、5，加熱層6設(shè)在相變層4的中間，下電極2、相變層3、4、5、加熱層6、上電極13均設(shè)在絕緣側(cè)壁14的細(xì)孔里。所述的相變層3、4、5，其材料為硫系化合物及硫系化合物與N、O、Si或Sn的摻雜物。硫系化合物在非晶態(tài)和晶態(tài)之間或者不同晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)可編程性能。權(quán)利要求1.一種可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，包括基底(1)、下電極(2)、相變層(3、4、5)、上電極(13)、絕緣側(cè)壁(14)，其特征在于，還包括加熱層(6、7、8)、阻擋層(9、10、11、12)，基底(1)設(shè)在最下層，在基底(1)的上面設(shè)有下電極(2)，上電極(13)設(shè)在最上層，在下電極(2)和上電極(13)之間設(shè)有至少三層相變層(3、4、5)，上電極(2)與相變層(3)之間、相變層(3、4、5)之間以及下電極(13)與相變層(5)之間分別設(shè)有阻擋層(9、10、11、12)，每個(gè)相變層(3、4、5)中間設(shè)有加熱層(6、7、8)，下電極(2)、相變層(3、4、5)、加熱層(6、7、8)、阻擋層(9、10、11、12)和上電極(13)均設(shè)在絕緣側(cè)壁(14)的細(xì)孔里。2.一種可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，包括基底(1)、下電極(2)、相變材料不同的相變層(3、4、5)、上電極(13)、絕緣側(cè)壁(14)，其特征在于，還包括加熱層(6)，基底(1)設(shè)在最下層，在基底(1)的上面設(shè)有下電極(2)，上電極(13)設(shè)在最上層，在下電極(2)和上電極(13)之間設(shè)有至少三層相變材料不同的相變層(3、4、5)，至少有一層相變層(4)中間設(shè)有加熱層(6)，加熱層(6)設(shè)在相變層(4)的中間，下電極(2)、相變層(3、4、5)、加熱層(6)、上電極(13)均設(shè)在絕緣側(cè)壁(14)的細(xì)孔里。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的相變層(3、4、5)，其材料為硫系化合物及硫系化合物與N、O、Si或Sn的摻雜物。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的加熱層(6、7、8)，其下層的厚度比上層的厚。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的阻擋層(9、10、11、12)是孔徑小于30納米的多孔性薄層。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的孔，其中有導(dǎo)電通道。全文摘要一種可實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的單元結(jié)構(gòu)，屬于微電子
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明包括基底、下電極、相變層、加熱層、阻擋層、上電極、絕緣側(cè)壁，基底設(shè)在最下層，在基底的上面設(shè)有下電極，上電極設(shè)在最上層，在下電極和上電極之間設(shè)有至少三層相變層，上電極與相變層之間、下電極與相變層之間以及相變層之間設(shè)有阻擋層，每個(gè)相變層中間設(shè)有加熱層，下電極、相變層、加熱層、阻擋層和上電極均設(shè)在絕緣側(cè)壁的細(xì)孔里。本發(fā)明有效提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，并且提高多位存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。文檔編號(hào)G11C11/56GK1744325SQ20051002867公開(kāi)日2006年3月8日申請(qǐng)日期2005年8月11日優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日發(fā)明者馮潔,章儀,賴(lài)云鋒,蔡炳初,陳邦明申請(qǐng)人:上海交通大學(xué),硅存儲(chǔ)技術(shù)公司