[发明专利]一种基于VOx选通管的相变存储单元

说明书

技术领域

本发明属于半导体存储技术领域，更具体地，涉及一种基于VO_x选通管的相变存储单元。

背景技术

相变存储器PCM是现在最有希望取代Flash存储器成为下一代的非易失性存储器之一。相变存储器单元以硫系化合物为相变材料在电压脉冲下可以实现为晶态和者非晶态的可逆转变。施加一个幅值中等，脉宽较长，脉冲下降沿较缓的电脉冲，可以使相变材料从非晶态转变为晶态，用来将数据从“0”写为“1”；施加一个幅值较高，脉宽较窄，下降沿陡峭的电脉冲，会使相变材料从晶态转变为非晶态，用来擦除数据。现在的高性能系统要求存储器具有更高密度的存储空间和更小的面积尺寸，由于相变单元存在有漏电流及所需要的Reset电流较大等问题，因此，选通管也成为相变存储器海量存储的关键因素之一。

图1为传统的1T1R结构。选通管一般用MOSFET或者BJT；MOSFET作为相变单元的选通管的原理是通过控制栅压来行成导电沟道从而控制源漏极的开关，其优点是电压降很小，但是如果要提供较高Reset电流(相变材料发生非晶变化所需电流)，则需要增加其沟道宽度，且在小尺寸时，MOSFET不能满足低噪声电流的要求，由于受限于额外选通管的单元面积，相变存储器的存储密度难以继续提升。用BJT作为选通管能够在高密度下提供足够的Reset电流，但是在高电流情况下BJT的电流放大系数将会降低，而且制备工艺成本高。采用二极管的1D1R结构时，因为二极管制备工艺刻蚀剥离步骤多且需要800℃高温的原因，制备条件要求高，难以实现存储单元的3D堆叠。因此，找到一种制备工艺简单且可以低温制备，既可以有效减小漏电流，又有利于相变存储器的高密度3D堆叠集成的选通管，仍是一个难点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于VO_x选通管的相变存储单元，通过控制VO_x的开关来实现相变存储单元的选通，采取1D1T结构，能实现3D堆叠，由此解决传统1T1R结构相变存储器存储密度低，传统二极管的1D1R制备工艺需要高温的技术问题。相比较与1T1R结构和传统二极管的1D1R结构，本发明的制备工艺更加简单，不需要高温条件，节约成本，有利于相变存储器的高密度集成和大规模商用化。

本发明提供了一种基于VO_x选通管的相变存储单元，包括：依次设置的下电极层、VO_x选通层、相变功能层和上电极层；当在所述上电极层和所述下电极层之间施加电压时，所述VO_x选通层能实现高阻态和低阻态之间的转换。

更进一步地，相变功能层的材料为GeTe、SbTe、BiTe、SnTe、AsTe、GeSe、SbSe、BiSe、SnSe、AsSe、InSe、GeSbTe和AgInSbTe中的任意一种以及上述任意一种化合物掺杂S或N或O或Cu或Si或Au元素形成的混合物。

更进一步地，上电极层和下电极层采用的材料为TiW、Pt、Au、W或其他不易与氧气反应的惰性电极。

更进一步地，VO_x选通层中VO_x材料的X的取值范围为1.9～2.1。

更进一步地，VO_x选通层的阈值电压V_th小于相变功能层的擦除操作电压V_Set。

更进一步地，VO_x选通层的面积大小为100nm²～30μm²。

更进一步地，选通层的VO_x材料的绝缘态电阻大于金属态电阻，绝缘态电阻与金属态电阻的比值大于100。

本发明还提供了一种基于上述的相变存储单元的操作方法，包括下述步骤：

通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个大于阈值电压V_th的强电脉冲，使得VO_x选通层的温度升到其相变温度以上，VO_x材料由绝缘态的单斜晶系转变为金属态的四方晶系；

通过在所述上电极层和所述下电极层之间施加一个小于保持电压V_hold的电脉冲，使得VO_x选通层的温度降到相变温度以下，VO_x材料重新回到高阻绝缘态；即该VO_x材料可以在热能作用下实现可逆转变；