相变随机存取存储器及其操作方法技术

本发明专利技术提供了一种相变随机存取存储器（ＰＲＡＭ）及其操作方法。该ＰＲＡＭ包括：连接到开关器件的下电极；形成在所述下电极上的下电极接触层；相变层，所述相变层形成在所述下电极接触层上并包括与所述下电极接触层的上表面相接触的底表面；以及形成在所述相变层上的上电极。其中，所述下电极接触层由塞贝克系数的绝对值高于ＴｉＡｌＮ的塞贝克系数的绝对值且具有负的塞贝克系数、热导率低于ＴｉＡｌＮ的热导率、并且电阻与ＴｉＡｌＮ的电阻类似的材料形成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体存储器件及其操作方法，更具体而言，涉及一种相变随机存取存储器(PRAM)及其操作方法。
技术介绍
相变随机存取存储器(PRAM)是非易失性存储器件，比如闪存、铁电RAM(FeRAM)和磁性RAM(MRAM)。PRAM与其他类型的非易失性存储器之间的结构差异在于存储节点。PRAM存储节点利用了相变层，该相变层在相变温度下从低电阻结晶态变成高电阻非晶态。相变层具有与接触层即下电极接触层相接触的部分，该接触层与下电极接触。因此，在相变温度下相变层的相变的部分是与下电极接触层相接触的局部区域。PRAM是利用相变层的电阻特性来写和读位数据的存储器件。所述电阻特性根据相变层的相而变化。图1是常规PRAM的截面图。参照图1，常规PRAM具有在硅衬底7上的晶体管Tr。晶体管Tr包括源极区S、漏极区D和形成在源极区S与漏极区D之间的沟道区C上的栅极G。常规PRAM还包括连接到晶体管Tr的源极区S和漏极区D之一(例如源极区S)的存储节点部分10。存储节点部分10通过导电插塞9连接到晶体管Tr的源极区S。存储节点部分10包括顺序堆叠的下电极10a、下电极接触层10b、相变层10c和上电极10d，相变层10c包含位数据。下电极10a还用作垫层(pad layer)，所述垫层提供其上能够形成下电极接触层10b的较大区域。下电极接触层10b与相变层10c的底表面相接触。图2示出了图1的常规PRAM的操作方法。为方便起见，图2仅示出了存储节点部分10。参照图2，相变层10c的结晶态被指定为置状态，其中假定记录了位值0。当位值0记录在相变层10c中时，第一相变电流I1从上电极10d通过相变层10c施加到下电极10a上。第一相变电流I1对应于重置电压，所述第一相变电流I1是将与下电极接触层10b接触的相变层10c的接触区域的相改变成非晶态的电流。第一相变电流I1作为脉冲电流，具有几纳秒的作用时间，并具有比以下描述的设置电流更高的值。该第一相变电流I1集中在宽度比相变层10c小得多的下电极接触层10b中。因此，与下电极接触层10b相接触的相变层10c上的区域(以下所述的“接触区域A1”)的电阻大大地增加，并且接触区域A1的温度在第一相变电流I1的作用期间升高到相变温度之上。因此，相变层10c的接触区域A1的相从结晶态变成非晶态。相变层10c的接触区域A1的非晶态被指定为重置状态，其中假定记录了位值1。在图2中，h1指的是第一相变电流I1的强度。参照图2，当相变层10c的接触区域A1为非晶时，在与第一相变电流I1相同的方向上，将第二相变电流I2施加到存储节点10。因为第二相变电流I2将相变层10c的接触区域A1的相从非晶态变成其最初的结晶态，所以其被称为设置电流。第二相变电流I2是脉冲电流，并具有比第一相变电流I1更低的强度。然而，第二相变电流I2的作用时间等于或基本大于第一相变电流I1的作用时间。当第二相变电流I2施加到存储节点部分10上时，相变层10c的接触区域A1的电阻增大并且接触区域A1的温度升高。然而，因为第二相变电流I2的强度低并且其作用时间长于第一相变电流I1的作用时间，所以接触区域A1的温度不达到相变层10c的相变温度。同样地，因为接触区域A1被长时间加热至比相变层10c的相变温度更低的温度，所以接触区域A1从非晶态变成结晶态，并且整个相变层10c为结晶的。如上所述，在图1的常规PRAM中，相变层10c的电阻由第一和第二相变电流I1和I2所确定。然而，第一相变电流I1、即重置电流是改善PRAM特性的阻碍。更具体而言，考虑到半导体制造技术的发展，为了减小PRAM的尺寸而减小存储节点部分10和晶体管(Tr)的尺寸在技术上并不困难。然而，随着晶体管(Tr)的尺寸变得更小，晶体管(Tr)能够容纳的电流、即晶体管(Tr)能够承受的电流变得更小。因此，难以实现高集成度的PRAM而不减小重置电流。因此，人们已经提出了通过减小下电极接触层10b的宽度而减小重置电流的方法。图3示出了根据下电极接触层10b的宽度变化、即相变层10c的接触区域A1的尺寸变化的重置电流的变化。参照图3，接触区域A1的尺寸与重置电流成比例，因此随着接触区域A1的尺寸减小，重置电流减小。所提出的减小重置电流的其他方法包括氧化下电极接触层10b以及利用高电阻TiAlN层作为下电极接触层10b。然而，由于下电极接触层10b能够产生大量焦耳热，所以尽管以上方法能够减小重置电流，但PRAM的制造成品率及其可靠性由于设置电阻(setresistance)的增大而降低。
技术实现思路
本专利技术提供了能够减小重置电流同时防止设置电阻增大的PRAM。本专利技术还提供了一种PRAM的操作方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种PRAM，其包括开关器件；连接到所述开关器件的下电极；形成在所述下电极上的下电极接触层；相变层，所述相变层设置在所述下电极接触层上并包括在其底表面上的与所述下电极接触层的上表面相接触的局部区域；以及，形成在所述相变层上的上电极，其中，所述下电极接触层是这样的材料层，所述材料层的塞贝克系数的绝对值高于TiAlN的塞贝克系数的绝对值并且为负值，其热导率低于TiAlN的热导率，并且其电阻与TiAlN的电阻类似。所述下电极接触层可以具有设置在其外围的间隔物。所述下电极接触层的上端可以填充有所述相变层。所述下电极接触层可以是掺杂的n型SiGe层、掺杂的PbTe层、掺杂的n型多晶硅层和掺杂的硅化钴层之一。并且，所述下电极接触层可以由Sb2Te3、Bi2Te3、GeTe、PbTe、SnTe及其合金所构成的组中选取的一种形成。所述合金层可以由Sb、Te、Bi、Ge、Pb和Sn所构成的组中选取的至少两种形成。此处，尽管不同的合金层可以具有相同的成分，但是所述合金中的成分的比率可以不同。所述合金层可以包括预定量的掺杂材料。所述掺杂成分使得所述合金层的电导率被调整成与TiAlN的电导率类似的水平，从1-10毫欧厘米。此处，所述合金层中的所述掺杂成分的掺杂量可以达到尚未被掺杂的合金层重量的10％。所述上电极可以是TiN、TiAlN和所述下电极接触层之一。所述间隔物可以是氧化硅层、氮化硅层或氧化铝层。所述开关器件可以是晶体管或二极管型器件。根据本专利技术的另一方面，提供了一种PRAM，其包括连接到开关器件的下电极；覆盖所述开关器件和所述下电极的层间绝缘层；形成在所述层间绝缘层上并暴露所述下电极的接触孔；用于填充所述接触孔的第一下电极接触层；形成在所述层间绝缘层上并覆盖所述第一下电极接触层的暴露部分的第二下电极接触层；形成在所述第二下电极接触层上并包括暴露所述第二下电极接触层的接触孔的绝缘层；形成在所述绝缘层的上表面上并且部分地填充暴露所述第二下电极接触层的接触孔的相变层；以及，形成在所述相变层上的上电极，其中，所述第一下电极接触层和第二下电极接触层中每一个都是材料层，所述材料层的塞贝克系数的绝对值高于TiAlN的塞贝克系数的绝对值并且为负值，其热导率低于TiAlN的热导率，并且其电阻与TiAlN的电阻类似。此处，所述第一和第二下电极接触层可以与所述下电极接触层相同。所述第一下电极接触层可以具有设置在其外围的间隔物。所述第一和第二下电极接触层中每一个可以是掺杂的n型S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变随机存取存储器，其包括：开关器件；连接到所述开关器件的下电极；形成在所述下电极上的下电极接触层；相变层，所述相变层形成在所述下电极接触层上并包括在其底表面上的与所述下电极接触层的上表面相接触的局部区域 ；以及形成在所述相变层上的上电极，其中，所述下电极接触层由塞贝克系数的绝对值高于ＴｉＡｌＮ的塞贝克系数的绝对值且具有负的塞贝克系数、热导率低于ＴｉＡｌＮ的热导率、并且电阻与ＴｉＡｌＮ的电阻类似的材料形成。

【技术特征摘要】
KR 2005-5-31 46127/051.一种相变随机存取存储器，其包括开关器件；连接到所述开关器件的下电极；形成在所述下电极上的下电极接触层；相变层，所述相变层形成在所述下电极接触层上并包括在其底表面上的与所述下电极接触层的上表面相接触的局部区域；以及形成在所述相变层上的上电极，其中，所述下电极接触层由塞贝克系数的绝对值高于TiAlN的塞贝克系数的绝对值且具有负的塞贝克系数、热导率低于TiAlN的热导率、并且电阻与TiAlN的电阻类似的材料形成。2.根据权利要求1所述的相变随机存取存储器，其中所述开关器件是晶体管和二极管型器件之一。3.根据权利要求1所述的相变随机存取存储器，其中所述下电极接触层的上端填充有所述相变层。4.根据权利要求1所述的相变随机存取存储器，其中所述下电极接触层是n型SiGe层、PbTe层、多晶硅层和硅化钴层之一。5.根据权利要求1所述的相变随机存取存储器，其中所述下电极接触层由Sb2Te3、Bi2Te3、GeTe、PbTe、SnTe及其合金所构成的组中选取的一种形成。6.根据权利要求5所述的相变随机存取存储器，其中所述合金由Sb、Te、Bi、Ge、Pb和Sn所构成的组中选取的至少两种形成。7.根据权利要求6所述的相变随机存取存储器，其中所述合金包括预定量的掺杂材料。8.根据权利要求1所述的相变随机存取存储器，其中所述上电极是TiN、TiAlN和形成所述下电极接触层的材料之一。9.根据权利要求3所述的相变随机存取存储器，其中所述下电极接触层由n型SiGe、PbTe、多晶硅和硅化钴所构成的组中所选取的一种形成。10.根据权利要求3所述的相变随机存取存储器，其中所述下电极接触层由Sb2Te3、Bi2Te3、GeTe、PbTe和SnTe所构成的组中选取的一种形成。11.一种相变随机存取存储器，其包括开关器件；连接到所述开关器件的下电极；覆盖所述开关器件和所述下电极的层间绝缘层；形成在所述层间绝缘层中并暴露所述下电极的第一接触孔；填充在所述接触孔中的第一下电极接触层；形成在所述层间绝缘层上并覆盖所述第一下电极接触层的暴露部分的第二下电极接触层；形成在所述第二下电极接触层上并包括暴露所述第二下电极接触层的第二接触孔的绝缘层；形成在所述绝缘层的上表面上并且填充暴露所述第二下电极接触层的所述第二接触孔的相变层；以及形成在所述相变层上的上电极，其中，所述第一下电极接触层和第二下电极接触层中每一个都由塞贝克系数的绝对值高于TiAlN的塞贝克系数的绝对值且具有负的塞贝克系数、热导率低于TiAlN的热导率、并且电阻与TiAlN的电阻类似的材料形...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东硕，朴用永，朴泰相，姜闰浩，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]