一种存储器装置，其在第一电极与第二电极之间使用经复合掺杂的相变材料。由相变材料制成的存储器元件位在第一电极与第二电极之间，并具有主动区，相变材料例如是硫属化合物。相变材料具有第一掺质，例如氧化硅，其特征为倾向于在主动区中的晶粒边界上自相变材料分离。相变材料具有第二掺质，例如硅，其特征为引起在主动区中相变材料的再结晶温度的增加，及／或抑制在主动区中的相变材料中空穴的形成。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是有关于一种以相变材料(phase change material)为基础的存储器装置及 其制造方法，其中相变材料包括硫属化合物(chalcogenide)材料。
技术介绍
相变式(phase change based)存储材料，如硫属化合物式材料和类似的材料，可以由施加适于集成电路操作的位准的电流，导致其在非晶相(amorphous phase)和结晶相 (crystalline phase)之间改变。相较于结晶相，非晶相有着高电阻的特性，而可轻易地被 感测以指出资料。这些特性已经引起了人们对利用可程序化电阻材料来形成非挥发性存 储器电路的关注，这种非挥发性存储器电路可由随机存取来进行读写。从非晶相转变为结晶相通常是低电流操作。从结晶相转变为非晶相(在此被 称为重设(reset))则通常是高电流操作，其包括较短的高电流密度脉冲以熔化或分解 (breakdown)晶体结构，然后相变材料迅速冷却下来，而使相变过程骤熄(quench)，且允 许至少一部分相变材料能够稳定于非晶相。研究已进行以由调整相变材料中的掺杂浓度并由提供具有极小尺寸的结构， 来提供以低重设电流操作的存储器装置。极小尺寸相变装置的一个问题涉及耐久性 (endurance) 具体而言，使用相变材料制造的存储单元可能因部分相变材料的成分随时 间缓慢地由非晶相转变成结晶相而失效。举例来说，存储单元中的主动区(activeregion) 被重设至一般非晶态(generally amorphous state)，存储单元可能会在主动区中超时(over time)成长结晶区域的分布。若这些结晶区域相连接而穿过主动区形成低电阻路径，则当 读取存储单元时，将侦测到较低电阻状态，而导致资料错误。参阅Gleixner在2007年发 表于 tutorial.22nd NVSMW 的 “Phase Change Memory Reliability”。从由材料的多晶相(polycrystalline phase)所引起的可制造性(manufacturability) 议题，出现相变存储单元的另一个问题。大的晶粒尺寸会导致空穴(void)的形成，而以 出乎意料的方式干扰电流，并造成故障。由对相变材料进行掺杂可影响引起相变所需的重设电流大小。可将杂质掺杂 于硫属化合物及其它的相变材料，以改变使用掺杂的硫属化合物的存储器件((memory element)的导电率、转移温度(transition temperature) > 熔化温度(melting temperature)以 及其它的特性。用于掺杂硫属化合物的代表性杂质包括氮、硅、氧、氧化硅、氮化硅、 铜、银、金、铝、氧化铝、钽、氧化钽、氮化钽、钛以及氧化钛。例如，参阅美国专利 第6,800,504号(金属掺杂)及美国专利申请公开案第2005/0029502号(氮掺杂)。Ovshinsky等人提出的美国专利第6,087,674号以及其母案美国专利第5,825,046 号说明将相变材料与较高浓度的介电材料混合而形成复合存储材料(composite memory material),以便控制复合存储材料的电阻。这些专利所述的复合存储材料的性质并不清 楚，因为所述的复合材料不但是分层结构而且是混合结构。这些专利所述的介电材料包 含非常广的范围。一些研究人员已经研究使用氧化硅掺杂硫属化合物，以便减少操作存储器装置 所需的重设电流。参阅Ryu等人在2006年发表于Electrochemical and Solid-State Letters,9 (8) G259-G261 的"SiO2 Incorporation Effects in Ge2Sb2Te5 Films Prepared by Magnetron Sputtering for Phase Change Random Access Memory Devices”、Lee 等人在 2006 年发 表于 Appl.Phys.Lett.89, 163503 的"Separate domain formation in Ge2Sb2Te5-SiOx mixed layer” ； Czubatyj 等人在 2006 年发表于 E*PCOS06 的 “Current Reduction in Ovonic Memory Devices”，以及 Noh 等人在 2006 年发表于 Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.888 的 "Modification of Ge2Sb2Te5 by the Addition of SiOx for Improved Operation of Phase Change Random Access Memory”。这些参考文献指出将较低浓度的氧化硅掺杂于锗锑碲合金 (Ge2Sb2Te5)可导致电阻的实质增加及重设电流的相对应减少。Czubatyj等人的论文指出 掺杂氧化硅的锗锑碲(GST)合金的电阻改善的饱和点在大约10vol% (6.7at% )，并且表示 已经测试过掺杂浓度多达30vol%的氧化硅，然而并未提供细节。Lee等人的文章说明一 种出现于大约8.4at%的较高的掺杂浓度的现象，其中在高温退火(annealing)之后氧化硅 呈现与锗锑碲(GST)分离，因而形成由主要成分是氧化硅的边界所围绕的锗锑碲(GST) 区域。以二氧化硅进行掺杂也会导致在金属的多晶相中晶粒尺寸的缩小，因而改善可制 造性。在美国专利申请公开案第2005/0029502号中，Hudgens说明一种经复合掺杂的 锗锑碲(GST)，其中提出氮或氮与氧引起晶粒尺寸的缩小，而在某种程度上施加如钛的 第二掺质以增加设定(set)程序化速度。在Hudgens中施加第二掺质是用以补偿(offset)， 由氮掺杂引起的设定程序化所需时间的增加。然而，发现如氮与氧这类的气相掺质， 虽然在沉积材料中引起晶粒尺寸的缩小但并不可靠，而导致于使用期间在材料中形成空 穴。于2009 年 3 月 10 日公告的标题为 “PHASE CHANGE MATERIALS AND ASSOCIATED MEMORY DEVICES”的美国专利第7,501,648号，Chen等人说明使用氮 化物化合物对相变材料进行掺杂，以影响转移速度(transition speed)。2008 年 10 月 2 日申请的标题为 “DIELECTRIC MESH ISOLATED PHASE CHANGE STRUCTURE FOR PHASE CHANGE MEMORY” 的共同待决(co-pending)美 国专利申请案第12/286,874号，说明使用较高浓度的二氧化硅进行掺杂，并解决了一些 上述讨论有关在相变材料的成分中的改变的问题。申请案第12/286,874号将以引用的方 式如同本文中完整陈述一样并入本说明书中。相较于氮，虽然申请案第12/286,874号中 教示以较高浓度的二氧化硅进行掺杂可达到实质优势，其包括在多晶相中晶粒尺寸的缩 小以及抑制多种结晶相的形成，但是仍会产生耐久性的问题。因此，期待能够提供具有良好资料保持力(dataretention本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种存储器装置，包括：一第一电极及一第二电极；以及一相变材料，在该第一电极与该第二电极之间，且具有一主动区，该相变材料具有一第一掺质及一第二掺质，该第一掺质的特征为倾向于在该主动区中的晶粒边界上自该相变材料分离，该第二掺质的特征为在该主动区中引起再结晶温度的增加。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：龙翔澜，陈介方，施彦豪，郑怀瑜，赖二琨，李明修，马修J布雷杜斯克，西蒙拉梧，林仲汉，
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
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