[发明专利]具有真空侧壁子的相变存储单元

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

本发明涉及非易失性存储器器件，特别是涉及使用相变存储元件的存储器器件。

背景技术

相变为基础的存储器材料已广泛用于读写光盘，且这些材料也逐渐使用于计算机存储器器件中。这些材料具有至少二种固相，通常为非晶固相及通常结晶固相。激光脉冲用于读写光谱，以在这二种相之间切换，并读取该材料在相变之后的光学性质，而电子脉冲则以相同的方式使用于计算机存储器器件中。

相变为基础的存储器材料，如硫属化物(Chalcogenide)及其类似的材料，也可以通过施加适合于集成电路操作的电流而改变状态。通常为非晶状态具有的特征在于比通常为结晶状态具有更高的电阻，其可以被快速感应以指示数据。该性质有利于作为非易失性存储器电路的可编程电阻材料，其可以用随机方式进行数据的读取与写入。

自非晶(amorphous)状态改变为结晶(crystalline)状态的相变通常是较低电流的操作。而自结晶状态改变为结非晶状态的相变，在此称为重置，通常是较高电流的操作，会包含一个短的高电流脉冲以融化或崩解此结晶结构，当此相变材料快速冷却后，为焠炼此相变过程，造成至少一部分的相变结构可以稳定在此非晶状态。通常希望此相变材料自结晶状态改变为结非晶状态的重置电流是越小越好。可以通过缩小单元内相变材料尺寸以及电极与此相变材料的接触面积的方式，来减小重置所需的重置电流值，所以高电流密度可以藉由较小电流通过此相变材料元件的方式来达成。

目前发展的方向之一已经朝向在集成电路结构内形成细小毛孔，和利用少量可编程电阻材料填充于此细小毛孔中。公开了朝向细小毛孔发展的专利有：Ovshinsky于1997年11月11日获准的美国专利No.5,687,112、发明名称为“Multibit Single Cell Memory ElementHaving Tapered Contact(具尖形接触窗的多位单一单元存储器单元)”的专利，Zahorik等人于1998年8月4日获准美国专利No.5,789,277、发明名称为“Method of Making Chalcogenide[sic]Memory Device(制造硫属化物[sic]存储器单元的方法)”的专利，Doan等人于2000年11月21日获准美国专利No.6,150,253，发明名称为“ControllableOvonic Phase-Change Semiconductor Memory Device and Methods ofFabricating the Same(可控制双向相变半导体存储器单元及其制造方法)”。以及Reinberg于1999年7月6日获准美国专利No.5,920,788，发明名称为“Chalcogenide Memory Cell with a Plurality ofChalcogenide Electrodes(有着许多硫属化物电极之硫属化物存储单元)”。

当使用传统的相变存储器结构时，一个特殊的热传导问题会在此传统设计中发生。通常而言，这些现有技术教导在该相变存储单元的两侧使用金属电极，且金属电极的大小相当于此相变构件的大小。如此的电极会构成热导体，金属的高导热性会很快将热带离此相变材料。因为由于发热的结果而发生相变，此热传导效应会造成需要更高的电流，才能产生所预期的相变。

一种解决此热传导效应问题的方式可见于美国专利No.6,815,704，发明名称为“Self Aligned Aire-Gap Thermal Insulationfor Nano-scale Insulated Chalcogenide Electronics(NICS)RAM(自动对准空气间隙热绝缘之纳米等级硫属化物电子式(NICE)随机存取存储器(RAM))”，其中公开了一种绝缘此存储单元的方法。此结构及其制造过程是非常复杂的，然而仍无法达到此存储器器件内的最小电流通过。

因此，必须要提供有着小尺寸以及低重置电流的存储器单元结构，此外，此结构必须解决热传导问题，且其制造方法必须符合大规模存储器器件所需的严谨工艺改变异规范。更需要提供一种结构及其制造方法，可以同时适用于同一晶片中周边电路的制造。

发明内容