相变存储器单元结构、相变存储器单元及其形成方法技术

一种ＰＣＭ单元结构，其包括第一电极、相变元件和第二电极，其中该相变元件被插入第一电极与第二电极之间，并且只有第一电极和第二电极之一的周界边沿与相变元件接触，从而减少相变元件与电极之一的接触面积，从而增加了经过相变元件的电流密度并且有效地以第一编程功率引起相变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储器器件，并且更特别地涉及相变存储器(PCM)单元结构以及制作并使用这样的相变存储器单元结构的方法。
技术介绍
近来，由锗锑碲(Ge2Sb2Te5)硫族化物材料制成的非易失性硫族化物随机访问存储器(RAM)器件已被认为是最有前途的下一代存储器器件。术语“硫族元素”是指周期表中的第四组元素；而术语“硫族化物”是指包含这些元素中的至少一个元素的合金，例如锗、锑和碲等等的合金。硫族化物材料已被用在PCM器件中，特别是被用在可重写光盘(CD)以及数字视频盘或数字多功能盘(DVD)器件中。当将这种存储器引入半导体芯片中时，相比该领域中的其他存储器，这种存储器具有许多优点，例如可缩放性、高的读出容限(sensing margin)、低能量消耗和周期性工作的耐久性。在针对硫族化物存储器单元的一般设计中，将数据存储在平坦的硫族化物层内，可在接近CMOS互连工序结束时沉积该平坦的硫族化物层，使得它对于嵌入式的应用而言是理想的。可将硫族化物存储器元件编程和重新编程成高电阻/低电阻状态。简而言之，当硫族化物存储器元件处于非晶相(或所谓的RESET(复位)状态)时它具有高电阻；当它处于结晶相时，它显示出低电阻(或所谓的SET(置位)状态)。SET和RESET两个状态之间的电阻比可以大于1000倍，其提供高读出容限。图1示出双稳态的锗锑碲(Ge2Sb2Te5)硫族化物材料的电流电压(I-V)特性。当非晶硫族化物材料的外加电压V超过阈值电压(Vt)时，发生阈值切换并且该材料从低电流级别的“OFF(关)”状态转到高电流的动态“ON(开)”状态。在ON状态，载流子浓度高而电阻像在结晶状态时一样低。对于处于“RESET”状态的器件，必须用充足的能量激励器件以使状态从“RESET”状态改变到动态ON状态中的“SET”状态。图2示出为了确保对器件的SET编程，温度必须高于结晶温度(Tx)并且其必须保持某一时间段(t2)。另一方面，图2还示出为了“复位编程”或者将一个单元从SET改变到RESET，必须用足够的能量激励硫族化物器件并且局部温度必须上升到高于熔化温度(Tm)。高于Tm的时间段应当较短以避免加热周围的材料。在局部加热间隔之后需要快速的淬火间隔(t1)以便返回到非晶相(RESET)，这一点非常关键。因为在RESET和SET周期期间相变材料的焦耳加热速率主要由电流密度确定，所以减少相变材料与相邻的电极之间的接触面积足以减小所切换的体积。例如在RESET周期期间，如果电流密度、由此得到的焦耳加热速率以及由此得到的材料温度高得足够熔化靠近电极之一的材料，则不必熔化整个体积的相变材料。一旦足够的材料已被非晶化以横跨穿过单元的电流路径的宽度，则该单元的总电阻将为高。类似地，在SET周期期间，一旦形成了足够宽的结晶材料路径，则总的单元电阻将降低。在这两种情况中，相邻的材料可以保留在相反的状态而不会显著地影响总的单元电阻。为了读硫族化物存储器器件，“READ(读)”电压被施加在器件上；因此，允许检测由不同的器件电阻产生的电流差值。读电压必须比阈值电压(例如1.2V)低，以避免改变材料的状态。当前，硫族化物器件被用于可逆的(RW)光学信息存储器件(例如CD-RW和DVD-RW光盘)。诸如锗锑碲材料(Ge2Sb2Te5)之类的化合物可在恰当暴露给来自激光束的辐射后的大约50ns内将从非晶相改变到结晶相。然而，随着使用较薄的薄膜，锗锑碲材料的结晶速度趋于降低。为了避免这种情况，建议将锡掺入Ge-Sb-Te化合物以形成Ge-Sb-Sn-Te化合物并且增大结晶速度。表I可能的相变材料 存储器的硫族化物PCM类型的简化单元结构包括连接到存储器单元的常规MOS FET转移晶体管。晶体管的一个源/漏(S/D)结被连接到称为位线(bit-line)的金属线。MOS FET的另一个S/D结被连接到存储器元件。晶体管的栅极连接到称为字线(word-line)的另一个金属线。PCM元件包括顶电极、双稳态电介质和底电极组成的夹层结构。两个电极都由金属或难熔金属制成，而双稳态电介质是一薄层硫族化物材料。关于硫族化物存储器元件的周期性工作的耐久性，Lai等人已经报道，一个这样的元件可以实施超过1E12个置位/复位周期，其比常规的闪存(大约1E5)高得多。该报道是由Stefan Lai等人在2003年电子器件会议中的“Current Status of the Phase Change Memory and its Future(相变存储器的当前状况和它的将来)”论文，IEDM 2003技术文摘，2003年12月的IEEE International 8-10，第10.1.1-10.1.4页，中做出的。将这种类型的PCM应用到实际的多位存储器器件除了上述那些特性外还需要如下另外两个特性，(1)所切换的材料(也即，相变材料)的体积必须小，使得在Set周期和Reset周期期间所需要的电流不会过大，以及(2)除了维持Set和Reset电流之间的较好的分隔外，多位器件中的许多存储器单元必须彼此足够相似。如果所切换的体积相对于制造晶体管的工艺节点而言太大，则切换该材料(特别是在Reset周期期间)所需要的功率将比连接到PCM器件的晶体管可以可靠地支持的功率更高。仿真和其他研究已经建议，用于所切换材料的恰当的尺寸将是标准工艺节点的一半(1/2)或者四分之一(1/4)的量级。因此，对于90nm节点，存储器单元将需要具有30-50nm范围的特征尺寸。这远低于针对该工艺节点所定义的光刻能力；并且因为用于功率递送的能力随工艺节点按比例缩小，所以需要PCM器件在所有节点处是亚光刻的。此外，对存储器单元尺寸的精确控制是必要的。如果尺寸过度变化，则在全部单元/全部管芯/任何时候存在这种危险，即在Reset脉冲期间施加的电流实际上可能置位了一些单元中的材料；反之亦然。因此，在制作实际的存储器器件中的主要挑战是将尺寸很好地生产并控制在低于标准光刻法的规格。本专利技术是被设计为通过在光刻法之后的附加处理来减少存储器单元的有效尺寸的若干方法中的一种方法。其他方法包括在将光阻块的尺寸转移到相变材料中之前“修整”光阻材料块；将相变材料沉积在这样的孔或者沟槽中，该孔或者沟槽的侧壁已经被有意地逐渐变细以在孔的底部提供比由光刻法在顶部所定义的接触面积更小的接触面积；以及在用相变材料填充常规定义的孔之前将电介质衬垫沉积在这些常规定义的孔中以减小它们的尺寸。已经报道了若干现有技术的PCM单元设计。在Lai等人的上述论文“Current Status of the Phase Change Memory and its Future”中，其中的图7A/7B示出在其中使用边沿接触以减少切换电流的配置。PCM器件包括顶电极触点TEC、顶电极TE、硫族化物PCM(GeSbT)层GST、底电极BE和底电极触点BEC。通过使用边沿接触代替常规的顶和底电极触点，编程电流显著地减少。图7B中的可编程体积比常规设计中的要小得多。在Lowrey的标题为“Elevated Pore Phase-Change Memory(高架气孔相变存储器)”的美国专利No.6,764,894 B2中具体表达了另一种现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器单元结构，其包括：相变元件；以及具有周界的薄膜电极；其中所述相变元件电连接到所述薄膜电极的所述周界的至少一部分。

【技术特征摘要】
US 2006-3-30 11/394,2631.一种相变存储器单元结构，其包括相变元件；以及具有周界的薄膜电极；其中所述相变元件电连接到所述薄膜电极的所述周界的至少一部分。2.根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括通过在绝缘膜表面中的先前制造的腔的内侧壁上沉积薄膜而形成的环带。3.根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括相对所述相变元件的表面呈一角度而沉积的环带，所述薄膜电极包括一个定向的部分，使得它与该相变元件的接触提供了导电的旁路路径，以调节当所述相变元件在高电阻状态和低电阻状态间进行切换时读电阻的变化。4.根据权利要求1所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括平面结构，并且所述相变元件电连接到所述薄膜电极的所述周界。5.根据权利要求4所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极是定向的，使得它与所述相变元件的接触提供了导电的旁路路径，以调节当所述相变元件在高电阻状态和低电阻状态间进行切换时的读电阻的改变。6.一种相变存储器单元，其包括相变元件；第一电极；第二电极；以及所述相变元件位于所述第一电极与所述第二电极之间，并且与所述第一电极和所述第二电极中的至少之一电接触且机械接触，所述第一电极和所述第二电极具有周界，所述周界的至少一部分与所述相变元件相接触。7.根据权利要求6所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括通过在绝缘膜表面中的先前制造的腔的内侧壁上沉积薄膜而形成的环带。8.根据权利要求6所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括相对所述相变元件的表面呈一角度而沉积的环带，所述薄膜电极包括一个定向的部分，使得它与所述相变元件的接触提供了导电的旁路路径，以调节当所述相变元件在高电阻状态和低电阻状态间进行切换时读电阻的变化。9.根据权利要求6所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极包括具有周界的平面结构，以及所述相变元件与所述薄膜电极的所述周界电接触。10.根据权利要求9所述的相变存储器单元结构，其中所述薄膜电极是定向的，使得它与所述相变元件的所述接触提供了导电的旁路路径，以调节当...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄洸汉，杨智超，JC阿诺德，LL赫萨，MC盖迪斯，TJ多尔顿，CJ拉登斯，LA克莱文杰，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]