[发明专利]使用自对准相变材料层的相变存储器元件及其制造和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置，且特别涉及相变存储器元件及其形成和使用方法。

背景技术

非易失性存储器因其能够在缺乏电源的情况下保存数据而成为集成电路的重要元件。已经研究了相变材料以用于非易失性存储器单元。相变存储器元件包含相变材料，例如硫属化物合金，其能够在无定形相与结晶相之间稳定地转变。每个相都展现出特定的电阻状态，且所述电阻状态区分存储器元件的逻辑值。具体来说，无定形状态展现出相对较高的电阻，而结晶状态展现出相对较低的电阻。

图1A和图1B中说明的常规相变存储器元件1具有位于第一电极2与第二电极4之间的相变材料层8，第一电极2和第二电极4由介电材料6支撑。根据第一电极2和第二电极4所施加的电流的量将相变材料8设置成特定电阻状态。为了获得无定形状态(图1B)，通过常规相变存储器元件1施加相对较高的写入电流脉冲(复位脉冲)，以便在第一时间周期内熔化覆盖第一电极2的相变材料8的至少一部分。移除所述电流，且相变材料8迅速冷却到低于玻璃转变温度的温度，这导致覆盖第一电极2的相变材料8的所述部分具有无定形相。为了获得结晶状态(图1A)，在第二时间周期内(其持续时间通常比第一时间周期和无定形相变材料的结晶时间长)，将较低的电流写入脉冲(设置脉冲)施加到常规相变存储器元件1，以便将相变材料8的无定形部分加热到低于其熔化点但高于其结晶温度的温度。这导致相变材料8的无定形部分重新结晶成结晶相，一旦所述电流被移除且常规相变存储器元件1冷却，所述结晶相位就得以维持。通过施加不会改变相变材料8的相态的读取电压来读取相变存储器元件1。

非易失性存储器的一个所追求的特征是低功率消耗。然而，常规相变存储器元件通常需要较大的操作电流。因此需要提供具有降低的电流要求的相变存储器元件。对于相变存储器元件来说，有必要具有某一电流密度，所述电流密度将把相变材料加热到超过其熔化点，且在无定形状态下对其进行淬火。一种提高电流密度的方式是减小第一电极的大小。这些方法会使第一电极与相变材料的界面处的电流密度增至最大。虽然这些常规解决方法通常是成功的，但需要进一步减小相变存储器元件中的总电流，从而降低特定应用中的功率消耗。

相变存储器的另一合意的特性是其切换可靠性和一致性。常规的相变存储器元件(例如图1A和图1B的相变存储器元件1)具有相变材料层的可编程区，所述可编程区不受限制，且可自由地侧向延伸，而且相变材料的无定形部分与结晶部分之间的界面可能会导致可靠性问题。所提出的本发明限制所述单元，因此其减小了在从结晶相改变成无定形相期间侧向延伸的能力或无意间的故障。

发明内容

本发明的示范性实施例提供相变存储器元件及其形成方法。示范性存储器元件包含支撑第一电极的衬底。绝缘材料元件位于所述第一电极上，且相变材料层形成在所述第一电极上，并且围绕所述绝缘材料元件，使得所述相变材料层具有与所述第一电极电连通的下表面。所述存储器元件还具有第二电极，其与所述相变材料层的上表面电连通。

附图说明

从下文中参看附图对示范性实施例进行的详细描述，将更明白本发明的前述和其它优点和特征，其中：

图1A到图1B说明常规的相变存储器元件；

图2A到图2B分别说明根据本发明的示范性实施例构造的相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图；

图3A到图5B说明制造图2A和图2B的相变存储器元件的示范性方法的局部横截面图和局部俯视图；

图6A到图6B分别说明根据本发明的第二示范性实施例构造的相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图；

图7A到图8B说明图6A和图6B的相变存储器元件的示范性制造方法的局部横截面图和局部俯视图；

图9A到图9B分别说明根据本发明的第三示范性实施例构造的阵列相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图；

图10A到图10B分别说明根据本发明的第四示范性实施例构造的阵列相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图；

图11A到图11E说明根据本发明的第五示范性实施例构造的阵列相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图，以及制造第五示范性实施例的示范性方法；以及

图12是具有并入有根据本发明的示范性实施例构造的相变存储器元件的存储器装置的处理器系统的框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参看本发明的各种特定实施例。用充分的细节来描述这些实施例是为了使所属领域的技术人员能够实践本发明。应了解，可使用其它实施例，且可在不偏离本发明的精神或范围的情况下，作出各种结构、逻辑和电性改变。