[发明专利]关联电子存储器

说明书

技术领域

本发明一般性涉及集成电路存储器，更具体涉及包含表现出电阻变化的材料的非易失性集成电路存储器的形成。 

背景技术

非易失性存储器是其中存储单元或元件在供给至器件的电源关闭后不丢失其状态的一类集成电路。采用可在两个方向上被磁化的铁氧体环制成的最早的计算机存储器是非易失性的。随着半导体技术发展至更高的微型化水平，对于公知的易失性存储器如DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态RAM)而言，铁氧体器件被舍弃。 

对于非易失性存储器的需求始终存在。因此，在近四十年中，创造了许多器件以满足该需求。在20世纪70年代晚期，采用连接或者不连接电池(Cell)的金属化层来制造器件。因此，在工厂中，人们可以以非易失性的方法来设定值。一旦这些器件出厂，它们就不能被重新写入。这种器件被称为ROM(只读存储器)。在1967年，贝尔实验室的Khang和SZE提出使用场效应晶体管(FET)制造的器件，所述场效应晶体管在栅极中具有内部材料层，能够俘获电荷。在20世纪70年代晚期和20世纪80年代早期，可由使用者写入和经由紫外光(UV)通过使电子去俘获来擦除的器件非常成功。UV需要将器件从电路板上移除并且置于UV灯下方15分钟以上。这些非易失性存储器被称作PROM或可编程-ROM。写入方法涉及强制电流从下方的衬底到达这些俘获位点。这种使电子穿过具有相反势能垒的材料层的方法已知为量子隧道效应，一种仅由于电子的波粒二象性而发生的现象。对用于这些FET的栅极堆叠的许多类型的夹层材料进行了尝试，并且该技术得到许多名称，如MNOS(金属-氮化物-氧化物-半导体)、SNOS([多晶]硅-栅极+MNOS)、SONOS(硅-氧化物+MNOS)和PS/O/PS/S(在硅衬底顶上的多晶硅控制栅极-二氧化硅-多晶硅浮置栅极和薄的隧道氧化物)。这种可擦除并因此为读/写非易失性器件已知为EEPROM，即电可擦除的PROM，这是令人遗憾的误称，因为它们不仅 仅是只读的。典型的EEPROM具有大的单元面积并需要栅极上大电压(12-21伏)以写入/擦除。而且，擦除或写入时间为数十微秒量级。然而，更糟糕的限制因素是有限的擦除/写入循环的次数，仅为稍高于600,000次或为10⁵-10⁶的量级。半导体工业通过扇区化存储阵列使得“页”(亚阵列)可在存储器中被一次擦除，从而使得在EEPROM非易失性晶体管之间不需要通过-栅极(pass-gate)开关晶体管，这种EEPROM称为快闪存储器。在快闪存储器中，为了速度和更高的比特密度，牺牲了保持随机存取(擦除/写入单比特)的能力。 

对于具有低功率、高速度、高密度和不可破坏性的期望已经使研究者对非易失性存储器进行了最近四十年的工作。FeRAM(铁电RAM)提供低功率、高写入/读取速度和超过100亿次的读写周期的寿命。磁存储器(MRAM)提供高写入/读取速度和长寿命，但是具有高成本和较高的功率消耗。这些技术均未达到快闪存储器的密度，所以快闪存储器仍然是非易失性存储器的选择。然而，普遍认为快闪存储器不容易缩微至65纳米以下；因此，正在积极寻求可缩微至较小尺寸的新的非易失性存储器。 

为此，在过去的十至二十年中，对基于表现出与材料相变相关的电阻变化的某些材料的存储器已有许多研究。在称为PCM(相变存储器)的一种可变电阻存储器中，当存储器元件短暂熔化并然后冷却至导电结晶态或不导电非晶态时，电阻发生变化。典型的材料有所不同并包括GeSbTe，其中Sb和Te可与周期表上相同性质的其它元素互换。这些材料通常称为硫族化物。参见，例如Stephan Lai，“Current Status of the phase changememory and Its Future”，Intel Corporation，Research note RN2-05(2005)；2006年5月2日授予Darrell Rinerson等人的美国专利No.7,038,935；2005年6月7日授予Terry L.Gilton的美国专利No.6,903,361；和2005年1月11日授予Sheng Teng Hsu等人的美国专利No.6,841,833。然而，由于这些基于电阻的存储器从导电状态到绝缘状态的转换取决于物理结构现象，即熔融(最高600℃)和恢复为固态，该现象不能被充分控制以用于有用的存储器，所以它们还没有被证明是商业上有用的。