具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在下文的描述中使用的，术语“三维存储器”是指具有如下存储单元的半导体器件：所述存储单元垂直布置在横向取向的衬底上，以使得所述存储单元的数量在垂直方向上相对于衬底提高。如本文使用的，术语“垂直/垂直地”表示标称地垂直于衬底的横向表面。

图1为相关技术中三维相变存储器的结构示意图；图2为三维相变存储器的原理示意图。如图1所示，相关技术中三维相变存储器100包括沿第一方向延伸的字线101和沿第二方向延伸的位线102，以及沿第三方向设置且位于字线101和位线102交叉点处的相变存储单元110，所述相变存储单元110包括沿第三方向依次堆叠分布的下电极111、选通层112、中间电极113、相变存储层114和上电极115。其中，上电极115和中间电极113能够根据电信号对相变存储层114进行加热和淬火操作，以驱使相变存储层114发生相变。具体的，如附图2所示，在写入操作中，上电极115和中间电极113对相变存储层114进行加热操作，使得至少部分所述相变存储层中的区域的温度升高到晶化温度T_c以上，此时相变存储层从非晶态转变为晶态，电阻减小；在擦除操作中，上电极115和中间电极113根据电信号对相变存储层114进行淬火操作，使得相变存储层114的温度升高到熔点温度T_m以上，之后急速冷却，从而驱使晶态的相变存储层非晶化，转化为非晶态结构，电阻升高。也就是说，三维相变存储器的存储依靠于将电信号转化为热信号，继而驱动相变存储层材料内部结构的改变来实现的。然而，热驱动的过程难以避免存在热扩散的问题，如图1所示，热量从相变存储层114的热核心区域向外扩散。因热扩散而损失的热量造成了三维相变存储器存在功耗大，热效率低等问题。

本发明实施例提供了一种三维相变存储器300，图3为本发明实施例提供的三维相变存储器300的结构示意图。如图3所示，所述三维相变存储器300包括：

沿第三方向依次交替堆叠分布的至少两条导电线301和至少一个相变存储单元310，每个所述相变存储单元310位于相邻两条导电线301之间，其中，奇数条所述导电线301-1沿第一方向延伸，偶数条所述导电线301-2沿第二方向延伸，所述第一方向、所述第二方向与所述第三方向相互垂直；

所述相变存储单元310包括沿第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314以及第三电极315；其中，

所述第三电极315与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值。

在实际操作中，所述导电线的材料包括但不限于钨(W)、钴(Co)、铜(Cu)、铝(Al)、多晶硅、掺杂硅、硅化物或其任何组合，所述相变存储层314可以为P型半导体。沿第一方向延伸的奇数条导电线301-1和沿第二方向延伸的偶数条导电线301-2可以分别作为字线(wordlines)或位线(bitlines)使用。应当理解，附图3示意出的4叠层以上的三维相变存储器结构仅为本发明一些实施例的举例说明，应当理解，本发明实施例提供的三维相变存储器300也可为单叠层结构、2叠层和3叠层结构。

根据pletier效应，当电流通过导体和半导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热以外，还会根据电流方向产生额外的发热或制冷。具体的，当电流从半导体流向导体时，电子将释放能量，材料会发热，相反，当电流从导体流向半导体时，电子将吸收能量，从而会制冷。

结合附图3所示的三维相变存储器300，可以看到，当相变存储单元310中的电流方向沿着选通层312朝向相变存储层314的方向时，电流从第二电极313流向相变存储层314时，相当于从导体流向半导体，电子吸收能量，会在第二电极313与相变存储层314的界面处产生吸热效果，在相变存储层314靠近第二电极313的一侧产生冷端。电流继续从相变存储层314流向第三电极315，相当于从半导体流向导体，电子将放出能量，会在相变存储层314与第三电极315的界面处产生放热效果，在相变存储层314靠近第三电极315的一侧产生热端。相变存储层314与第三电极315的界面处产生的除焦耳热之外的额外放热效果，能够加强相变存储层314的热环境，对提高三维相变存储器的热效率、降低功耗具有有益的效果，相反，相变存储层314与第二电极313的界面处产生的吸热效果，至少会部分抵消第二电极313和第三电极315产生的用于加热和淬火相变存储层314的热量，会导致低的热效率，对器件性能不利。

不同的材料具有其特定的赛贝克系数值，两种材料的相对赛贝克系数为两种材料的赛贝克系数的差值，两种材料的相对赛贝克系数的绝对值大小与两种材料之间因pletier效应吸收或放出的热量的大小直接相关。本发明实施例通过具体选择相变存储单元310中相关各层的材料以获得特定的相对赛贝克系数，能够调控相变存储层314周围的热环境，以提高能量利用效率，降低功耗。

具体的，上述实施例中，所述第三电极315与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值。具体的，第二电极313与相变存储层314之间的相对塞贝克系数α34＝α3-α4，其中α3为第二电极313的塞贝克系数，α4为相变存储层314的塞贝克系数；相变存储层314与第三电极315之间的相对塞贝克系数α45＝α4-α5，其中α4为相变存储层314的塞贝克系数，α5为第三电极315的塞贝克系数。本发明实施例提供的三维相变存储器300通过将所述第三电极315与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值设置为大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值，使得第三电极315与相变存储层314的界面上释放的热量大于相变存储层314与第二电极313界面上吸收的热量，那么，对于相变存储层314而言，能够保证制热的效果大于制冷的效果，最终得到的还是对于加强热环境有利的制热效果，从而有利于提高加热和淬火的能量利用效率，可以降低操作电压，提高存储效率，降低功耗。

通常选通层312由半导体材料构成，因此，额外的pletier吸热和放热效应也会产生在选通层312与第一电极311和第二电极313之间。具体的，参见附图3，当相变存储单元310中的电流方向沿着选通层312朝向相变存储层314的方向流动时，电流从第一电极311流向选通层312，即从导体流向半导体，电子会吸收热量，相当于在选通层312与第一电极311的界面处产生制冷效应，选通层312靠近第一电极311的一侧成为冷端；电流从选通层312流向第二电极313时，相当于从半导体流向导体，电子会放出热量，相当于在选通层312与第二电极313的界面处产生制热效应，选通层312靠近第二电极313的一侧成为热端。选通层312的热端靠近相变存储层314，对相变存储层314具有加热效应。

在一些实施例中，所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值。具体的，选通层312与第二电极313与之间的相对赛贝克系数α23＝α2-α3，其中α2为选通层312的塞贝克系数，α3为第二电极313的塞贝克系数；第二电极313与相变存储层314之间的相对赛贝克系数为α34＝α3-α4，其中α3为第二电极313的塞贝克系数，α4为相变存储层314的塞贝克系数。本发明实施例提供的三维相变存储器300通过将所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值设置为大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值，使得第二电极313与选通层312的界面上释放的热量大于相变存储层314与第二电极313界面上吸收的热量，从而能够抵消掉相变存储层314与第二电极313界面上的不利制冷效应，有利于加强相变存储层314周围的热环境，提高能量的利用效率。

在一实施例中，所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第一电极311与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值。具体的，选通层312与第二电极313与之间的相对赛贝克系数α23＝α2-α3，其中α2为选通层312的塞贝克系数，α3为第二电极313的塞贝克系数；第一电极311与选通层312之间的相对赛贝克系数为α12＝α1-α2，其中α1为第一电极311的塞贝克系数，α2为选通层312的塞贝克系数。本发明实施例提供的三维相变存储器300通过将所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值设置为大于所述第一电极311与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值，使得第二电极313与选通层312的界面上释放的热量大于第一电极311与选通层312的界面上吸收的热量，从而能够保证选通层312周围的pletier效应整体结果是放热，这有利于加强相变存储层314周围的热环境，提高能量的利用效率。

在一实施例中，所述相变存储层314与所述第三电极315之间的相对赛贝克系数的绝对值和/或所述选通层312与所述第二电极313之间的相对赛贝克系数的绝对值大于200mV/K；在一优选实施例中，所述相变存储层314与所述第三电极315之间的相对赛贝克系数的绝对值和/或所述选通层312与所述第二电极313之间的相对赛贝克系数的绝对值大于500mV/K。通过上述参数设置，能够增强第三电极315与相变存储层314界面处以及第二电极313与选通层312界面处的pletier放热效应，从而降低功耗。

在一实施例中，所述第二电极313与相变存储层314之间的相对塞贝克系数的绝对值和/或所述第一电极311与选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值小于100mV/K；在一优选实施例中，所述第二电极313与相变存储层314之间的相对塞贝克系数的绝对值和/或所述第一电极311与选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值小于20mV/K。通过上述参数设置，能够尽可能降低第二电极313与选通层315界面上和第二电极313与相变存储层314界面上的制冷效应，避免热量不必要的损耗，从而提高能量利用效率，降低功耗。

在一些实施例中，可以通过查阅相对赛贝克系数表来获得具有特定相对赛贝克系数的材料来形成本发明实施例中所述的第一电极、选通层、第二电极、相变存储层和第五电极。

在一实施例中，如图4所示，所述至少一个相变存储单元包括至少两个沿第三方向相邻设置的相变存储单元，所述至少两个相变存储单元中的一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，所述至少两个相变存储单元中的另一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311；且所述至少两个相变存储单元310中的两个所述相变存储层314之间的距离小于两个所述选通层之间的距离。

结合附图4，可以看到，第n个相变存储单元310包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311，与所述第n个相变存储单元310相邻的所述第n-1个相变存储单元310包括第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，且位于第n个相变存储单元310和第n-1个相变存储单元310中的两个相变存储层314之间的距离d小于位于第n个相变存储单元310和第n-1个相变存储单元310中的两个选通层312之间的距离D。

当电流沿着选通层312至相变存储层314的方向流动时，第n个相变存储单元310中的相变存储层314与第三电极315的界面处为热端，选通层312与第一电极311的界面处为冷端，第n-1个相变存储单元310中的相变存储层314与第三电极315的界面处为热端，选通层312与第一电极311的界面处为冷端。通过将第n个相变存储单元310与第n-1个相变存储单元310中的各层的层叠方式设置为相反，且将相邻两个相变存储单元的相变存储层314设置为靠近，能够实现将相邻两个相变存储单元的热端靠在一起，从而形成冷-热-冷的分布，这能够进一步抑制散热效应，降低因散热造成的损耗。

在一更优实施例中，任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，所述任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的另一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311；且所述任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的两个相变存储层314之间的距离小于两个选通层312之间的距离。

这样，相邻相变存储单元的热端靠在一起，从而能够进一步的抑制散热效应。

本发明实施例还提供了一种三维相变存储器的控制方法，如图5所示，包括：

步骤S501提供三维相变存储器，所述三维相变存储器包括：沿第三方向依次交替堆叠分布的至少两条导电线和至少一个相变存储单元，每个所述相变存储单元位于相邻两条导电线之间，其中，奇数条所述导电线沿第一方向延伸，偶数条所述导电线沿第二方向延伸，所述第一方向、所述第二方向与所述第三方向相互垂直；所述相变存储单元包括依次堆叠分布的第一电极、选通层、第二电极、相变存储层以及第三电极；其中，所述第三电极与所述相变存储层之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第二电极与所述相变存储层之间的相对赛贝克系数的绝对值；

步骤S502对所述导电线施加电压，控制所述电压使得所述三维相变存储器中的电流方向从所述选通层流向所述相变存储层。

如图6a所示，当电流沿着相变存储层314至选通层312的方向流动时，pletier放热效应产生在相变存储层314与第二电极313以及选通层312与第一电极311的界面处，pletier吸热效应产生在相变存储层314与第三电极315以及选通层312与第二电极313的界面处，选通层312在靠近相变存储层314的一侧为冷端，该冷端靠近相变存储层314的热端，势必会导致相变存储层314热端的热量被该冷端吸收，造成热量不必要的损失，导致能量利用率低的问题。然而，如图6b所示，本发明实施例提供的三维相变存储器的控制方法中电流沿着选通层312至相变存储层314的方向流动，pletier放热效应产生在相变存储层314与第三电极315以及选通层312与第二电极313的界面处，pletier吸热效应产生在选通层312与第一电极311以及相变存储层314与第二电极313的界面处，那么，选通层312在远离相变存储层314的一侧为冷端，在靠近相变存储层314的一侧为热端，因此能够对相变存储层314产生一定的加热作用，这有利于加强相变存储层314附近的热环境，降低功耗。

在一实施例中，如图4所示，所述至少一个相变存储单元包括至少两个沿第三方向相邻设置的相变存储单元，所述至少两个相变存储单元中的一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，所述至少两个相变存储单元中的另一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311；且所述至少两个相变存储单元310中的两个所述相变存储层314之间的距离小于两个所述选通层312之间的距离。

结合附图4，可以看到，第n个相变存储单元310包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311，与第n个相变存储单元310相邻的所述第n-1个相变存储单元310包括第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，且位于第n个相变存储单元310和第n-1个相变存储单元310中的两个相变存储层314之间的距离d小于位于第n个相变存储单元310和第n-1个相变存储单元310中的两个选通层312之间的距离D。

在一更优实施例中，任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第一电极311、选通层312、第二电极313、相变存储层314和第三电极315，所述任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的另一个包括沿第三方向依次堆叠分布的第三电极315、相变存储层314、第二电极313、选通层312和第一电极311；且所述任意沿第三方向相邻的两个相变存储单元310中的两个相变存储层314之间的距离小于两个选通层312之间的距离。

在上述的一些实施方式中，至少两个相邻相变存储单元的热端靠在一起，从而能够进一步的抑制散热效应。

在一实施例中，为控制上述实施例中提供的三维相变存储器300中的电流方向从选通层流向相变存储单元，所述对导电线施加电压，包括：

位于相邻两个所述相变存储层之间且靠近所述两个相变存储层的导电线接地或接负偏压，其他所述导电线接正偏压。

下面结合附图4对上述操作进行具体阐述。如图4所示，在实际操作中，将位于第n个相变存储单元310中的第n个相变存储层314和位于第n+1个相变存储单元310中第n+1个相变存储层314之间的，且更靠近所述两个相变存储层314的导电线，也即将图4中偶数条导电线301-2接地或接负偏压，其他奇数条导电线301-1接正偏压。

具体的，例如，将偶数条导电线301-2接地或者将偶数条导电线301-2上的电压降低到第一阈值以下，将奇数条导电线301-1上的电压提高到第二阈值电压以上。在实际操作中，所述第一阈值的范围例如可以为-6至-19V，所述第二阈值的范围例如可以为6-19V。

在一些实施例中，所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值。本发明实施例提供的三维相变存储器300通过将所述第三电极315与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值设置为大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值，使得第三电极315与相变存储层314的界面上释放的热量大于相变存储层314与第二电极313界面上吸收的热量，那么，对于相变存储层314而言，能够保证制热的效果大于制冷的效果，最终得到的还是对于加强热环境有利的制热效果，从而有利于提高加热和淬火的能量利用效率，可以降低操作电压，提高存储效率，降低功耗。

在一实施例中，所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值大于所述第一电极311与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值。本发明实施例提供的三维相变存储器300通过将所述第二电极313与所述选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值设置为大于所述第二电极313与所述相变存储层314之间的相对赛贝克系数的绝对值，使得第二电极313与选通层312的界面上释放的热量大于相变存储层314与第二电极313界面上吸收的热量，从而能够抵消掉相变存储层314与第二电极313界面上的不利制冷效应，有利于加强相变存储层314周围的热环境，提高能量的利用效率。

在一实施例中，所述相变存储层314与所述第三电极315之间的相对赛贝克系数的绝对值和/或所述选通层312与所述第二电极313之间的相对赛贝克系数的绝对值大于200mV/K；在一优选实施例中，所述相变存储层314与所述第三电极315之间的相对赛贝克系数的绝对值和/或所述选通层312与所述第二电极313之间的相对赛贝克系数的绝对值大于500mV/K。通过上述参数设置，能够增强第三电极315与相变存储层314界面处以及第二电极313与选通层312界面处的pletier放热效应，从而降低功耗。

在一实施例中，所述第二电极313与相变存储层314之间的相对塞贝克系数的绝对值和/或所述第一电极311与选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值小于100mV/K；在一优选实施例中，所述第二电极313与相变存储层314之间的相对塞贝克系数的绝对值和/或所述第一电极311与选通层312之间的相对赛贝克系数的绝对值小于20mV/K。通过上述参数设置，能够尽可能降低第二电极313与选通层315界面上和第二电极313与相变存储层314界面上的制冷效应，避免热量不必要的损耗，从而提高能量利用效率，降低功耗。

需要说明的是，本发明提供的三维相变存储器及其控制方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。