[发明专利]相变化存储装置及其制造方法

说明书

联合研究合约的当事人

纽约国际商业机械公司、台湾旺宏国际股份有限公司及德国英飞凌技术公司(Infineon Technologies A.G.)为联合研究合约的当事人。

技术领域

本发明涉及以相变化存储材料为基础的高密度存储装置，以及用以制造这种装置的方法，其中相变化存储材料包括硫属化物材料与其他材料。

背景技术

相变化存储材料广泛地用于读写光盘中。这些材料包括有至少两种固态相，包括如大致为非晶态的固态相，以及大致为结晶态的固态相。激光脉冲用于读写光盘片中，以在二种相中切换，并读取此种材料于相变化后的光学性质。

如硫属化物及类似材料的这种相变化存储材料，可通过施加其幅度适用于集成电路中的电流，而引起晶相变化。大致非晶态的特征为其电阻高于结晶态，此电阻值可轻易测量得到而用以作为指示。这种特性则引发使用可编程电阻材料以形成非易失性存储器电路等兴趣，此电路可用于随机存取读写。

从非晶态转变至结晶态一般为低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为高电流步骤，其包括短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相变化材料会快速冷却，抑制相变化的过程，使得至少部份相变化结构得以维持在非晶态。理想状态下，引起相变化材料从结晶态转变至非晶态的重置电流幅度应越低越好。欲降低重置所需的重置电流幅度，可通过减低在存储器中的相变化材料元件的尺寸、以及减少电极与此相变化材料的接触面积而实现，因此可针对此相变化材料元件施加较小的绝对电流值而实现较高的电流密度。

此领域发展的一种方法致力于在集成电路结构上形成微小孔洞，并使用微量可编程的电阻材料填充这些微小孔洞。致力于这种微小孔洞的专利包括：于1997年11月11日公告的美国专利No.5,687,112，题为“Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact”、发明人为Ovshinky；于1998年8月4日公告的美国专利No.5,789,277，题为“Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”、发明人为Zahorik等；于2000年11月21日公告的美国专利No.6,150,253，题为“Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same”、发明人为Doan等。

当以非常微小尺寸制造这种装置且工艺参数必须符合大尺寸存储装置所要求的严格工艺规范时，会遭遇到问题。因此，较佳地能提供一种存储单元结构与制造这种结构的方法，其具有微小尺寸与低重置电流。

发明内容

本发明的一个目的涉及相变化存储装置，其包括存储单元存取层、与选择性地连接至存储单元存取层的存储单元层，其包括以平板印刷(photolithograph)方式形成的相变化存储单元。此相变化存储单元包括第一与第二电极，其分别具有相对且分隔的第一与第二接触元件，以及位于第一与第二接触元件间的相变化元件，其可将第一与第二接触元件彼此电连接。相变化元件具有宽度、长度与厚度，长度介于第一与第二接触元件间的方向，且宽度与长度垂直。长度、厚度与宽度小于用以形成相变化存储单元的工艺的最小平板印刷特征尺寸。

在某些实施例中，此最小平板印刷特征尺寸约为200纳米，而此长度为约10至100纳米，宽度为约10至50纳米，且厚度为约10至50纳米。

在某些实施例中，该第一与第二电极包括选自下列组的一个元素：钛、钨、钼、铝、钽、铜、铂、铱、镧、镍、钌、及前述金属的合金

本发明的另一目的涉及一种用以制造相变化存储装置的方法，包括：形成存储单元存取层于衬底上，该存储单元存取层包括存取装置以及上表面；形成存储单元层，其选择性地连接至存储单元存取层，该存储单元层包括以平板印刷方式形成的相变化存储单元，该相变化存储单元包括：第一与第二电极，其分别具有相对且分隔的第一与第二接触元件；相变化元件，其置于该第一与第二接触元件之间，并将该第一与第二接触元件彼此电连接；该相变化元件包括宽度、长度、以及厚度，该长度介于该第一与第二接触元件间，且该宽度与该长度垂直；以及该存储单元层形成步骤的进行使得：该相变化元件的体积小于用以形成该相变化存储单元的最小平板印刷特征尺寸的三次方；以及位于该相变化元件与该第一接触元件之间的接触区域，由该相变化元件的宽度与厚度所定义，小于该最小平板印刷特征尺寸的二次方。