[发明专利]电流限制的相变化存储器装置结构

说明书

技术领域

本发明公开一种半导体结构，且特别是涉及一种具有电流限制层的相变化存储器装置结构及其制造方法。

背景技术

相变化存储器(PCM)装置是一种使用相变化材料的电阻率变化的非易失性存储器装置。PCM装置亦被称为相变化随机存取存储器(PRAM)。通常，能在非晶态与结晶态之间转变的硫属化物材料可被用于PCM装置。

视自液态的冷却速率而定，硫属化物材料可形成非晶态硫属化物玻璃或硫属化物结晶。该两状态之间的差异以是否存在长程有序为其物理上的特征。此外，硫属化物材料的结晶态与非晶态具有极不相同的电阻率数值。通过操控硫属化物材料的相态，可将二进位数据位写入PCM装置。通过检测硫属化物材料的相态，其通常是以电阻率测量的方式，该储存在PCM装置的二进位数据可被读取。许多使用该等方法的PCM装置的类型在该领域中为已知。

一种典型地使用在PCM装置的硫属化物材料是通称为GST(Ge₂Se₂Te₅)的锗、锑及碲的化合物。连同氧、硫、硒及钋，碲属于硫族，因此名为硫属化物材料。在典型的PCM装置，具有高电阻率数值的硫属化物玻璃可基于硫属化物材料的熔化及快速冷却而形成。或者，具有低电阻率数值的硫属化物结晶可通过将温度提高至低于熔化温度的结晶温度而形成，接着进行硫属化物材料的缓慢冷却。硫属化物在相当高的温度下，例如600℃以上，会变成液体。

参考图1，公知的相变化存储器(PCM)装置结构包含底导电板10、相变化材料层20及顶导电板30的堆叠。通过使电流通过PCM元件结构，将相变化材料层20中的相变化材料加热至能诱发相变化的温度，例如至熔化温度或结晶温度的上。

目前PCM装置结构的挑战是如何产生充足的热以达到相变化材料的熔化温度。虽然不需要将相变化材料每一部分都熔化才可以将PCM装置中的数据编码，但至少一部分能显著影响PCM装置结构的总电阻的相变化材料需要达到相转变温度，例如熔化温度和/或结晶温度，以便该相变化材料可在结晶结构与非晶形结构之间改变其状态。为了诱发这种熔化或再结晶，通常需要相当大量的电流。然而，施加这种大量电流需要大的晶体管，因此需要大的半导体面积，这将使得难以增加PCM装置的密度。

通过混合相变化材料与无源电介质材料以降低PCM元件结构对电流的需求的一种方法已公开于授权给Czubatyj等人的美国专利NO.5,825,046中。图2简要表示Czubatyj等人的公知结构，其中混合相变化材料层20’包含与无源电介质材料26混合的相变化材料21。相变化材料21与无源电介质材料26的混合可减少底导电板10及顶导电板30间的电流路径的截面积，因此增加该混合相变化材料层20’内的电流密度。对于底导电板10及顶导电板30间的给定电流程度，图2中的混合相变化材料层20’提供比图1中的相变化材料高的局部温度。

虽然Czubatyj等人提供可提高混合相变化材料层局部温度的结构，然而该混合程序是随机的，亦即混合程序中的统计上的差异会产生非均匀的混合，导致混合相变化材料层的电阻的显著差异。

因此，存在有对于能达到与较少编程电流相符的相变化材料层的相转变温度的相变化存储器元件结构及其制造方法的需求。

此外，存在有对于在相变化材料层中具有较高电阻的相变化存储器元件结构以及其制造方法的需求，其中电阻数值具有紧密的分布。

发明内容

本发明通过提供具有由底导电板与顶导电结构之间的绝缘性纳米粒子限制的电流路径的相变化存储器结构解决上述的需求。

具体而言，使用具有约10nm级尺寸的纳米粒子层以形成电流限制层或作为用于自底部绝缘体层形成电流限制层的硬掩模。该纳米粒子优选在底表面上自我对准和/或自我平坦化。该电流限制层可形成于底导电板内、相变化材料层内、顶导电板内、或在含有相变化材料或顶导电材料的锥形介层侧壁与介层栓塞之间的锥形内衬内。该电流限制层周围局部结构的电流密度高于周围区域，因而允许局部温度升高至高于周围材料。由于该电流限制层，编程该相变化存储器装置所需的总电流及因此编程晶体管的尺寸可以降低。再者，纳米粒子的自我组装特征提供相变化存储器装置的紧密的电阻分布。

根据本发明的一具体实施例，半导体结构包含：

a.相变化材料层；

b.电流限制层，其邻接该相变化材料层且含有嵌入在导电材料的体积中且由其分隔的绝缘性纳米粒子的单层；

c.第一导电板，其邻接该电流限制层并包含该导电材料的另一体积；以及