[发明专利]使用能量转换层的相变存储器元件、包含相变存储器元件的存储器阵列及系统以及其制作及使用方法有效

专利信息
申请号: 200780033735.2 申请日: 2007-07-24
公开(公告)号: CN101512788A 公开(公告)日: 2009-08-19
发明(设计)人: 刘峻;迈克·瓦奥莱特;乔恩·戴利 申请(专利权)人: 美光科技公司
主分类号: H01L45/00 分类号: H01L45/00
代理公司: 北京律盟知识产权代理有限责任公司 代理人: 王允方
地址: 美国爱*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 使用 能量 转换 相变 存储器 元件 包含 阵列 系统 及其 制作 使用方法
【说明书】:

技术领域

发明实施例涉及半导体装置,且更特定来说涉及相变存储器元件、包含相变存储器元件的存储器阵列及系统及其形成及使用方法。 

背景技术

非易失性存储器因其在无供电的情况下维持数据的能力而成为集成电路的重要元件。相变材料已经研究以用于非易失性存储器单元中,其中包含能够在非晶相与晶相之间稳定转变的硫属化物合金。每一相位呈现特定的电阻状态且所述电阻状态区分所述存储器元件的逻辑值。具体来说,非晶状态呈现相对高的电阻,且结晶状态呈现相对低的电阻。 

图1A及1B中所图解说明的常规相变存储器元件1具有一层相变材料8,其在第一与第二电极2、4之间且由介电材料6支撑。根据所施加通过第一及第二电极2、4的电流量将相变材料8设置到一特定电阻状态。为获得非晶状态(图1B),施加通过常规相变存储器元件1的相对高的写入电流脉冲(重置脉冲)以熔化相变材料8中覆盖第一电极2达第一时间周期的至少一部分8a。移除电流且相变材料8迅速冷却到低于结晶温度的温度,此导致相变材料8的部分8a覆盖具有非晶状态的第一电极2。为获得结晶状态(图1A),向常规相变存储器元件1施加较低电流写入脉冲(设置脉冲)达第二时间周期(通常比非晶相变材料的结晶时间的持续时间要长)以将相变材料8的非晶部分加热到低于其熔点但高于其结晶温度的温度。此致使相变材料8的非晶部分8a(图1B)再结晶为结晶状态,一旦移除电流且冷却相变存储器元件1即维持所述结晶状态。通过向所述电极施加不会改变相变材料8的相位状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种受欢迎的特性为低功率消耗。然而,常规的相变存储器元件经常要求大的操作电流。随着相变存储器按比例缩减以允许大规模的装置集成及每位的电流减小,相变单元的可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)以不断增大的表面积-体积比进一步缩小。可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)的增大的表面积-体积比致使通过表面的散热增加,且需要较大的功率密度来在可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)中实现相同的局部加热。因此,较大的电流密度(约1×1012Amps/m2)对于相变单元的写入操作是必要的。较大的电流密度产生严重的关键可靠性问题,例如在常规相变存储器方法(其中单元自身充当加热元件)中被置于高电场下的相变材料原子(例如锗-锑-碲(GeSbTe))的电子迁移。

因此,可需要提供具有减少的电流要求的相变存储器元件。对于相变存储器元件,有必要具有可将相变材料加热超过其熔点并在非晶状态中将其淬火的电流密度。一种增大电流密度的方式是减小第一电极(图1A及1B的第一电极2)的大小。这些方法使第一电极2与相变材料8之间的界面处的电流密度最大化。虽然这些常规的解决方案通常是成功的,但可需要进一步减小相变存储器元件中的总电流,由此减小某些实施方案中的功率消耗,并可能地减小经过相变材料的电流密度以改善其可靠性。 

相变存储器的另一所期望性质是其切换可靠性及一致性。常规的相变存储器元件(例如图1A及1B的相变存储器元件1)具有不受限制且可自由地侧向延伸的相变材料层(例如图1A及1B的相变材料层8)。因此,相变材料的迁移的非晶部分与结晶部分之间的界面可导致对相变单元的编程及再编程期间的可靠性问题。 

发明内容

本文中描述的实施例包含相变存储器元件及形成相变存储器元件的方法。存储器元件包含电耦合到第一及第二传导材料层的相变材料层。能量转换层经形成而与所述相变材料层相关联且电耦合到第三及第四传导材料层。在所述相变材料层与所述能量转换层之间形成电隔离材料层。 

附图说明

图1A-1B图解说明常规的相变存储器元件; 

图2A-2B分别图解说明根据本发明实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图; 

图3A-6B图解说明一种制作图2A及2B的相变存储器元件的实施例的方法的实施例的局部截面图及局部俯视图; 

图7图解说明图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件的实施例的阵列的局部示意图; 

图8是根据本发明第二实施例的相变存储器元件阵列的局部示意图; 

图9A-9B分别图解说明根据本发明第三实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图; 

图10A-14图解说明一种制作图9A及9B的相变存储器元件的方法的实施例的局部截面图及局部俯视图; 

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