具有稳定微结构的相变存储器装置及集成电路的制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有稳定微结构的相变存储器装置及集成电路的制造方法。此相变材料元件在主动区中具有经修改的化学计量，其在设定状态中并不展现出电阻的漂移。一种制造此存储器装置的方法，包含：首先制造包含相变存储单元的阵列的集成电路，相变存储单元的阵列具有具总体化学计量的相变材料的主体；接着将成形电流施加至阵列中的相变存储单元，以使相变材料的主体的主动区中的总体化学计量改变为经修改的化学计量，而不干扰主动区外部的总体化学计量。总体化学计量的特征在于主动区外部的热力学条件下的稳定性，而经修改的化学计量的特征在于主动区内部的热力学条件下的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于基于硫族化合物(chalcogenide)材料的存储器装置及集成电路 的制造方法。
技术介绍
可通过施加处于适合在集成电路中实施的电平的电流来使基于相变的存储材料 (如基于硫族化合物的材料及类似材料)在非晶相与结晶相之间变相。大体非晶态的特征 在于电阻率高于大体结晶态的电阻率，此可容易被感测到以指示数据。这些特性使人们对 使用可编程电阻性材料来形成可用随机存取来读取及写入的非易失性存储器电路感兴趣。自非晶态变为结晶态通常为较低电流操作。自结晶变为非晶(本文中称之为复位 (reset))通常为较高电流操作，所述操作包含较短的高电流密度脉冲，以熔化或击穿结晶 结构。在此之后，相变材料迅速冷却，从而使相变过程骤冷(quenching)，并允许相变材料的 至少一部分稳定于非晶态。可通过以下方式来降低复位所需的电流的量值减小存储单元中的相变材料元件 的尺寸及/或电极与相变材料之间的接触面积，以用经过相变材料元件的较小绝对电流值 达成较高的电流密度。研究已进行至通过调整相变材料中的掺杂浓度并通过提供尺寸非常小的结构来 提供以低复位电流操作的存储器装置。尺寸非常小的相变装置的一个问题涉及耐久性 (endurance) 0具体而言，使用处于设定状态的相变材料制造的存储单元的电阻可能因相 变材料的成分在装置寿命期间随时间缓慢地变化而漂移。2008年10月2日申请的标题为 DIELECTRIC MESHISOLATED PHASE CHANGE STRUCTURE FOR PHASE CHANGEMEMORY 的共同待 决美国专利申请案第12/286，874号，解决了上文所论述的与相变存储器的成分在前几个 循环的操作期间的改变有关的问题中的一些问题。申请案第12/286，874号以引用的方式 如同本文中完整陈述一样并入本文中。此漂移可能引起可靠性问题及操作所述装置所需的控制电路的复杂性增加。举例 而言，若电阻在设定及/或复位状态存储单元上漂移，则相变速度改变、存储单元的动态电 阻可能改变、遭遇不同的保持(retention)行为(电阻稳定性)等等。这些问题的一个结 果是装置上所需要的感测电路针对每一个存储状态必须处理较宽范围的电阻，此情况通常 导致较低速度的操作。此外，设定过程及复位过程必须考虑到甚至在单一存储状态内存储 单元的不断变化的总体状况(bulk condition)，此情况通常导致阵列上的设定速度及复位 速度不均勻。因此，需要提供一种在装置寿命期间具有更稳定操作的存储单元结构。
技术实现思路
本文描述一种具有在主动区内有经修改(modified)的化学计量的相变材料元件 的存储器装置，其不会展现出现有技术的存储器装置的设定状态电阻的漂移。此外，本文描4述一种制造存储器装置的方法，所述方法包含首先制造包含相变存储单元的阵列的集成 电路，所述相变存储单元具有具总体化学计量(bulk stoichiometry)的相变材料的主体； 且随后将成形电流(forming current)施加至阵列中的相变存储单元，以将相变材料体的 主动区中的总体化学计量改变为经修改的化学计量，所述经修改的化学计量不同于所述总 体化学计量，但并不干扰主动区外部的总体化学计量。总体化学计量的特征在于主动区外 部的热力学条件下的稳定性，而经修改的化学计量的特征在于主动区内部的热力学条件下 的稳定性。通过确立存储元件中的总体化学计量及经修改的化学计量，使存储单元的设定 状态电阻在存储单元的寿命期间稳定，存储单元寿命可延长至数百万及更多个设定/复位 循环。用作存储元件的相变材料的主体采用化学计量不均一的稳定微结构，其在主动区内 具有与相变材料的主体的主动区外部出现的原子浓度分布不同的原子浓度分布。相变材料 的主体的化学计量变换并非突然的，而是在沿主动区边界的变换区上发生的。变换区的特 性将根据存储单元的结构、所施加的成形电流的类型及其它因素而变化。如此处所使用的术语『化学计量』是指一定量的相变材料中的两种或两种以上物 质之间可(例如)使用能量分散X光光谱学(energy dispersivex-ray spectroscopy,EDX) 或等效的技术来测量的原子浓度的数量关系。在明显长于存储器装置的操作期间所使用的设定/复位脉冲的脉冲来施加成形 电流。举例而言，成形电流脉冲可包括单一脉冲或多个脉冲，其具有大于0.5毫秒的持续时 间，诸如1毫秒或更长。成形电流可具有斜坡式(ramped)后边缘，以防止修改过程的快速 骤冷。在代表性实施例中，阵列中的相变存储单元在设定状态下具有一电阻，所述电阻 在大于1百万个设定/复位循环期间电阻变化范围小于20千欧(kOhms)。已针对为GexSbyTez掺杂的氧化硅示范了所述方法，GexSbyTez具有χ = 2、y = 2且 ζ = 5的总体化学计量，掺杂有10至20原子百分比的氧化硅，且具有y > 2且ζ < 5的经 修改的化学计量(其中x、y及ζ是以一个有效位测量)。所得的装置示范设定状态下电阻 的稳定性的实质性改良。然而，所述过程可扩展至其它硫族化合物材料，其包含具有介电及 主动掺杂组成物的材料。本文所描述的制造过程包含在集成电路上提供电路，以将设定脉冲及复位脉冲施 加至存储单元以写入数据，且另外在存储单元的主动区中施加成形电流，以引起主动区内 的经修改的化学计量变化。本文所描述的存储器装置包括集成电路，其包含相变存储单元的阵列。阵列中的 存储单元包含相变材料的主体，所述相变材料的主体在其主动区外部具有总体化学计量且 在其主动区内部具有经修改的化学计量。虽然存储单元的此状况在现有技术的存储单元中 在许多设定/复位循环之后可能发生，但本文所描述的集成电路包含电路，而此电路既具 有用以将设定脉冲及复位脉冲施加至相变存储单元的阵列的编程模式，又具有用以将成形 电流施加至相变存储单元的阵列以将相变材料的主体中的主动区内的总体化学计量改变 为经修改的化学计量的成形模式。在以下图式、详细描述及权利要求范围中可看出所描述的技术的其它特征、特征 组合、态样及优点。附图说明图1为绘示相变存储单元中的存储状态的电阻分布的曲线图。图2绘示相变存储单元的基本结构。图3为现有技术的存储单元的设定状态电阻及复位状态电阻对设定/复位循环数 目的图表。图4说明具有在主动区外部具有总体化学计量且在主动区内部具有经修改的化 学计量的相变材料的主体的存储单元的结构。图5为本文所描述的制造过程的简化流程图。图6至图14说明图5中所描述的制造过程中所使用的成形电流的替代脉冲形状。图15为如本文所述具有经修改的化学计量的第一实例存储单元的设定状态电阻 及复位状态电阻对设定/复位循环数目的图表。图16为如本文所述具有经修改的化学计量的第二实例存储单元的设定状态电阻 及复位状态电阻对设定/复位循环数目的图表。图17为如本文所述具有经修改的化学计量的第三实例存储单元的设定状态电阻 及复位状态电阻对设定/复位循环数目的图表。图18为在主动区中不具有经修改的化学计量的情况下存储单元中的相变材料的 主体的原子浓度分布的EDX图表。图19为在主动区中具有因成形脉冲而引起的经修改的化学计量的情况下，存储 单元中的相变材料体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造集成电路的方法，其特征在于，包括：在一集成电路基板上提供一相变存储单元的一阵列，该相变存储单元在具有一总体化学计量的一相变材料的主体内具有一主动区；以及将一成形电流施加至该阵列中的该相变存储单元，以在该主动区中形成具有一经修改的化学计量的该相变材料，该经修改的化学计量不同于该总体化学计量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李明修，
申请(专利权)人：旺宏电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]