[发明专利]使用锑－硒金属合金的相变存储装置及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性相变存储装置及其制作方法，更具体而言涉及使用由锑(Sb)和硒(Se)组成的硫族化物金属合金的相变存储装置及其制作方法。

背景技术

半导体存储装置通常分类为易失性或非易失性。DRAM(动态随机存取存储器)为典型的易失性存储装置。DRAM需要周期性更新过程来维持数据。当存储装置的集成度低时，该更新过程的功耗不显著。然而，随着集成度更高，功耗也大幅增加。例如，在1至10ms/兆比特的更新速率，DRAM消耗大量能量。1千兆比特DRAM的更新过程占据了装置的总功耗的大部分。然而，DRAM存储器模块被广泛使用，因为其高功耗被高速度和有竞争力的价格所弥补。

如果易失性DRAM可以用非易失性存储装置来替代，则功耗和操作初始化周期的减小被预期。因此，各种非易失性存储器技术已经被发展。技术上最先进且使用最广泛的非易失性存储器为闪存存储器。然而，闪存存储器慢且使用较高电压。这些问题限制了闪存存储器用于诸如数码相机和移动电话的移动装置。存储装置所需的重要性能之一是重写操作中的可靠性。尽管闪存存储器在重写性能方面可靠性低，但是当闪存存储器用于诸如个人数字助理的移动装置时，重写操作数目可以设置为更小。然而，移动装置中闪存存储器在重写方面的这种可靠性不能保证在通用PC中的稳定操作。

恰当地组合DRAM/SRAM/闪存存储器的方法被使用以满足最近存储装置的各种要求。然而，这种方法昂贵且大幅增加存储器芯片的尺寸。因此，需要可以稳定地安装到各种装置内或者可以用于各种应用的集成存储装置。该集成存储装置要求具有诸如非易失性、高速、低功耗、以及高度可靠的重写的特性。然而，具有所有这些特性的半导体存储装置尚未商业生产。因此，各种非易失性存储装置技术正蓬勃发展，且已经努力寻找这些技术在各个方面的发展可能性和商业使用。

同时，称为相变RAM(PRAM)的非易失性存储装置利用了根据晶体结构来改变电阻的相变材料。PRAM装置通过控制电流以改变相变材料的晶体结构而存储信息，以及利用电阻的变化来读取所存储的信息，由此实现其存储操作。

PRAM装置可以使用硫族化物金属合金相变材料，该相变材料主要用于诸如CD-RW或DVD的光学信息存储介质。此外，由于PRAM装置的制作工艺与传统硅基板装置的制作工艺紧密匹配，PRAM装置可以达到或超过DRAM的集成密度。磁阻RAM(MRAM)装置和铁电RAM(FRAM)装置与PRAM装置竞争，但是存在制造工艺及微型化困难的问题。因此，PRAM装置作为可以替代当前闪存存储装置的主流的下一代非易失性存储装置而引起注意。

然而，PRAM装置的功耗必需大幅减小以使PRAM装置变得实用。如上所述，由于PRAM装置是通过施加电流到电阻器并使用焦耳热来改变相变材料的晶体结构而被驱动，功耗可能高。由于功耗问题，PRAM装置近年来已经开始受到很大重视，即使其与其它非易失性存储装置相比具有优点。

也就是说，当PRAM装置使用传统更大的半导体装置的制造工艺来制作时，产生整个系统无法耐受的过量功率和热，由此使得无法实现实用的存储装置。然而，由于设计规则和装置尺寸持续减小，当PRAM装置根据目前常用设计规则来制作时，操作PRAM装置所需的功耗可以显著降低。降低操作PRAM装置所需的电流与PRAM装置的高密度集成紧密相关。需要发展一种低功率装置，从而保证高密度PRAM装置的可靠的存储器操作。在该低功率装置中，相变存储器阵列的功耗低。

除了低功耗的益处之外，使用低功率装置可以获得的另一重要益处为降低的热发生。具体而言，存储于存储装置内的信息不应被当特定的邻近存储装置工作产生的热所破坏或改变。特别地，在单元非常紧密布置的高度集成的存储器阵列中，由特定存储器单元的工作而产生的热会成为噪声并中断邻近单元的存储器操作。

下述方法被应用于降低PRAM装置工作所需的电流。

(1)第一种方法是从材料方面的途径。通过使用具有较低熔点的材料，改进相变材料以降低相变所需的温度，由此降低所需的电流。该方法通过改变相变材料本身来降低整个PRAM装置的功耗，而与装置结构无关。

(2)第二种方法是通过最小化相变区域来降低所需的电流水平，其中该相变区域是PRAM装置的操作涉及到的重要部分。PRAM装置由于在相变材料和电极之间的接触部分内产生的热而改变相。因此，PRAM装置的总功耗由于最小化该接触部分而降低。目前，该方法使用最广泛。