相变存储器及其制造、编程和读取方法技术

本公开的各实施例涉及相变存储器及其制造、编程和读取方法。一种相变存储器(PCM)包括：半导体主体，容纳选择晶体管；电绝缘主体，被设置在半导体主体之上；导电区，延伸穿过电绝缘主体，电耦合到选择晶体管；以及所述电绝缘主体中的多个加热器元件。多个加热器元件中的每个加热器元件包括与导电区的相应部分电接触的第一端和远离导电区延伸的第二端。PCM还包括多个相变元件，多个相变元件在电绝缘主体中延伸并且包括数据存储区，其中数据存储区中的每个数据存储区在一个相应的加热器元件的第二端处被电耦合且热耦合到相应的加热器元件。元件。元件。

【技术实现步骤摘要】
相变存储器及其制造、编程和读取方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年12月23日提交的第102020000032270号意大利申请号的优先权，该申请通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及存储器，并且更具体地涉及相变存储器以及用于制造、编程和读取相变存储器的方法。

技术介绍

[0004]众所周知，相变存储器使用一类材料，该类材料具有在两个相之间切换的性质，该两个相具有与所述材料的两个不同结晶结构相关联的不同电特性，并且精确地是非有序无定形相和有序结晶或多晶相。这两个相因此与电阻率的值相关联，这些值彼此显著不同，甚至相差两个或更多个数量级。
[0005]目前，周期表第XVI族的元素(例如Te或Se，也称为硫属化物材料或硫属化物)可以用于相变存储器单元。例如，如从P.Zuliani等人的在2013年11月1日发表在IEEE电子器件汇刊的“Overcoming Temperature Limitations in Phase Change Memories With Optimized Ge
x
Sb
y
Te
z”卷60，问题12，页4020
‑
4026，已知可以使用Ge、Sb和Te的合金(Ge
x
Sb
y
Te
z
，例如Ge2Sb2Te5)，通过适当地选择形成所述合金的元素的百分比来优化Ge2Sb2Te5。
[0006]相变发生的温度取决于所使用的相变材料。在Ge2Sb2Te5合金的情况下，例如，低于150℃，无定形相和结晶相都是稳定的。如果温度增加超过200℃，则注意到晶体的快速重新布置，并且材料变成晶体。为了使硫属化物进入无定形态，有必要将温度进一步增加到熔点(约600℃)，然后将其迅速冷却。
[0007]已知许多存储器利用相变材料作为用于存储两种稳定状态(无定形态和晶态)的元件，其可以各自与“1”或“0”处的相应位相关联。在这些存储器中，多个存储器单元被布置成行和列，以形成阵列。每个存储器单元耦合到相应选择元件，相应选择元件可以由任何开关设备(例如PN二极管、双极结型晶体管或MOS晶体管)实现，并且通常包含与电阻接触件(也称为加热器)接触的硫族化物区。存储元件形成在硫族化物区与加热器之间的接触区域中。加热器连接到选择元件的导电端子。
[0008]从电气观点来看，结晶温度和熔化温度通过引起电流流过电阻接触而获得，所述电阻接触与硫族化物材料直接接触或在功能性的耦合到硫族化物材料，因此通过焦耳效应加热它。
[0009]根据现有技术，相变存储器单元的生产的各种工艺是已知的，然而，存在一些缺点和限制。特别地，在已知类型的PCM中，每个存储元件通常被配置为仅存储一位。为了克服此限制，已提出多级存储元件，其中可根据两个以上电阻值来编程一个单元，使得可以将相应多个信息存储于单元中。可以通过使用能够设置“置位”状态与“复位”状态之间的中间电阻
状态的受控写入脉冲来实现所述多个电阻值。
[0010]由于电阻值在时间和温度上的漂移，电阻的中间水平的稳定性是关键的方面。
[0011]因此，需要提供满足上述需要的相变存储器(PCM)块、包括多个PCM块的相变存储器、用于制造PCM块的方法以及用于编程和读取PCM块的方法。

技术实现思路

[0012]在实施例中，相变存储器(PCM)包括容纳选择晶体管的半导体主体；设置在半导体主体之上的电绝缘主体；延伸穿过电绝缘主体并电耦合到选择晶体管的导电区；以及电绝缘主体中的多个加热器元件。多个加热器元件中的每个加热器元件包括与导电区的相应部分电接触的第一端和远离导电区延伸的第二端。PCM还包括多个相变元件，多个相变元件在电绝缘主体中延伸并且包括数据存储区，其中数据存储区中的每个数据存储区在一个相应的加热器元件的第二端处被电耦合且热耦合到相应的加热器元件。
[0013]在实施例中，一种制造相变存储器的方法包括：在半导体主体中形成选择晶体管；在半导体主体上形成电绝缘主体；形成穿过电绝缘主体的导电区，导电区电耦合到选择晶体管；以及在电绝缘主体中形成多个加热器元件。多个加热器元件中的每个加热器元件包括与导电区的相应部分电接触的第一端和远离导电区延伸的第二端。该方法还包括形成在电绝缘主体中延伸并且包括数据存储区的多个相变元件，每个数据存储区在一个相应的加热器元件的第二端处电耦合且热耦合到相应的加热器元件。
[0014]另一实施例描述了一种用于对相变存储器器件进行编程的方法，其中相变存储器器件包括至少一个行线；多个列线；以及多个相变存储器单元，相变存储器单元中的每个相变存储器单元耦合在行线与一个相应列线之间。该方法包括，在与第一时间间隔相关联的第一操作条件中，将复位编程电压施加到多个相变存储器单元，以将多个相变存储器单元编程到第一逻辑状态。该方法包括，在与第一时间间隔之后的第二时间间隔相关联的第二操作条件下，将置位编程电压施加到多个相变存储器单元中的所选择的相变存储器单元，以将所选择的相变存储器单元编程到第二逻辑状态，其中，复位编程电压的最大电压值高于置位编程电压的最大电压值。
[0015]实施例描述了一种用于读取相变存储器器件的方法，其中相变存储器器件包括多个行线；多个列线；以及多个相变存储器单元，其中相变存储器单元中的每个相变存储器单元被耦合在行线与一个相应的列线之间。方法包括：将多个行线中的、待被读取的相变存储器单元所连接到的一个行线偏置到接地参考电压；将多个行线中的剩余行线偏置到读取电压；将多个列线偏置到读取电压；以及通过感测放大器获取流过待被读取的相变存储器单元所连接到的多个列线的电流。
附图说明
[0016]为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例并且参考附图来描述本专利技术的优选实施例，其中：
[0017]图1A和1B示出了根据本专利技术的实施例的PCM块的相应视图；
[0018]图1C示出了包括图1B的多个PCM块的PCM存储器，其中图1A示出了在相互正交的轴X、Y、Z的三轴系统中的PCM存储器(在下文中被称为“PCM块”)的一部分，并且图1B示出了在
XZ平面中的图1A的PCM块，并且图1C示出了包括多个PCM块的PCM存储器的一部分；
[0019]图2是图1B的PCM块的示意性电气表示；
[0020]图3示出了在各种实施例中待施加到PCM单元的置位及复位脉冲以便在相应逻辑状态中编程PCM单元；
[0021]图4A、4B示意性地示出了图1A的一个PCM块的电路表示，其中示例性偏置方案用于对PCM块进行编程；
[0022]图5A、5B示意性地示出了包括多个PCM块的图1C的PCM存储器的电路表示，以及用于对PCM存储器进行编程的示例性偏置方案方法；
[0023]图6示意性地示出了图1A的一个PCM块的电路表示，以及用于读取PCM块的示例性偏置方案；
[0024]图7至图11示出了在各种实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相变存储器PCM，包括：半导体主体，容纳选择晶体管；电绝缘主体，被布置在所述半导体主体之上；导电区，延伸穿过所述电绝缘主体，电耦合到所述选择晶体管；所述电绝缘主体中的多个加热器元件，所述多个加热器元件中的每个加热器元件包括与所述导电区的相应部分电接触的第一端、以及远离所述导电区延伸的第二端；以及多个相变元件，在所述电绝缘主体中延伸，并且包括数据存储区，所述数据存储区中的每个数据存储区在一个相应的加热器元件的所述第二端处电耦合且热耦合到相应的所述加热器元件。2.根据权利要求1所述的PCM，其中所述电绝缘主体包括多个电绝缘层，每个加热器元件和相关联的所述数据存储区在所述电绝缘层中的一个相应的电绝缘层中延伸。3.根据权利要求2所述的PCM，其中所述导电区包括多个电互连的插头，每个插头在所述电绝缘层中的一个相应电绝缘层中延伸。4.根据权利要求3所述的PCM，其中所述多个电绝缘层包括一个或多个重叠的电绝缘层的堆叠，每个堆叠包括相应的第二电绝缘层上的相应的第一电绝缘层，以及其中针对每个堆叠，相应的互连导线在所述第一电绝缘层与所述第二电绝缘层之间延伸，所述互连导线被电连接到在所述第一电绝缘层中延伸的插头和在所述第二电绝缘层中延伸的插头，从而在所述第一电绝缘层与所述第二电绝缘层之间形成导电路径。5.根据权利要求4所述的PCM，其中所述互连导线进一步电连接到在所述第一电绝缘层中延伸的所述加热器元件。6.根据权利要求1所述的PCM，每个加热器元件和耦合到所述加热器元件的所述数据存储区由电介质或绝缘材料的密封层覆盖。7.根据权利要求1所述的PCM，其中所述加热器元件沿着与所述半导体主体的主表面正交的竖直方向彼此对准。8.根据权利要求1所述的PCM，其中所述导电区具有沿着与所述半导体主体的主表面正交的第一方向的主延伸部，每个加热器元件横向于所述导电区而被布置。9.根据权利要求1所述的PCM，还包括多个开关晶体管，每个开关晶体管具有耦合到一个相应的相变元件的自有第一导电端子、耦合到偏置电位的自有第二导电端子、以及自有控制端子，其中所述选择晶体管包括耦合到所述导电区的自有第一导电端子、耦合到参考电位的自有第二导电端子、以及自有控制端子，所述选择晶体管的控制端子以及所述开关晶体管的控制端子能够操作以在所述参考电位与所述偏置电位之间选择性地连接一个相应的加热器元件和相关联的所述相变元件。10.根据权利要求1所述的PCM，其中所述PCM被集成到包括偏置电路装置的芯片中，所述偏置电路装置包括：编程级，包括电压发生器，所述电压发生器被配置成使置位或复位编程电流流过所选择的加热器元件以通过焦耳效应生成热量，以便引起所述相变元件的相关联的所述数据存储区的受控相变；以及
读取级，包括多个感测放大器，每个感测放大器耦合到一个相应的数据存储区，以在PCM的块的读取操作期间读取流过相应的所述数据存储区的电流。11.一种制造相变存储器的方法，所述方法包括：在半导体主体中形成选择晶体管；在所述半导体主体上形成电绝缘主体；形成穿过所述电绝缘主体的导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：