[发明专利]反相可变电阻存储器单元及其制造方法

说明书

技术领域

所揭示的实施例大体上涉及存储器装置以及用于制造存储器装置的方法，且特定来说，涉及反相可变电阻存储器单元及其制造方法。

背景技术

半导体存储器装置广泛用于电子系统和计算机中以存储呈二进制数据形式的信息。这些存储器装置的特征可为：易失性存储器，其中在断开或移除电源的情况下，所存储的数据丢失；或非易失性存储器，其中即使在功率中断期间仍能保持所存储的数据。然而，传统上，非易失性存储器装置占用大量空间，且消耗大量功率，从而使得这些装置不适合在便携式装置中使用或作为被频繁存取的易失性存储器装置的替代物。另一方面，易失性存储器装置倾向于比非易失性存储器装置提供更大的存储能力和更多的编程选项。易失性存储器装置一般还比非易失性装置消耗更少的功率。

非易失性随机存取存储器装置的实例是可变电阻存储器装置，其含有许多类型的电阻变化材料，尤其包含磁性材料、经掺杂的硫族化物材料、相变材料。

非易失性随机存取存储器装置中所使用的一类可变电阻变化材料是磁性材料。这些装置采用磁阻效应来存储存储器状态，且通常使用磁阻材料层的磁化定向来表示和存储二进制状态。举例来说，可将一个方向上的磁化定向界定为逻辑“0”，而可将另一方向上的磁化定向界定为逻辑“1”。

读取所存储的二进制状态的能力是磁阻效应的结果。此效应的特征在于多层磁阻材料的电阻的变化，所述变化取决于所述层的相对磁化定向。因此，磁阻存储器单元通常具有可相对于彼此而改变定向的两个磁性层。在磁化向量的方向指在同一方向上的情况下，可称所述层处于平行定向，且在磁化向量指在相反的方向上的情况下，可称所述层反平行定向。实际上，通常允许一个层、自由或“软”磁性层改变定向，而另一层、钉住的或“硬”磁性层具有固定的磁化定向以为自由磁性层的定向提供参考。随后可通过确定存储器单元的相对电阻来检测两个层的磁化定向。如果存储器单元的磁性层的磁化定向大体上平行，那么存储器单元通常处于低电阻状态。相反，如果存储器单元的磁性层的磁化定向大体上反平行，那么所述存储器单元通常处于高电阻状态。因此，理想上，在典型的磁阻存储器中，二进制逻辑状态被存储为磁阻材料中的二进制磁化定向，且被读取为含有磁阻材料的磁阻存储器单元的二进制电阻状态。

巨磁阻(GMR)和隧穿式磁阻(TMR)存储器单元是利用此电阻行为的两种常见类型的存储器单元。在GMR单元中，使穿过位于自由磁性层与钉住磁性层之间的导体的电子流视所述导体两侧的磁性层的相对磁化定向而变化。通过切换自由磁性层的磁化定向，穿过导体的电子流被更改，且导体的有效电阻被改变。

在TMR单元中，电势垒层(而非导体)位于自由磁性层与钉住磁性层之间。电荷量子机械隧穿通过势垒层。归因于隧穿的自旋相关性质，电荷穿过势垒的程度随着势垒两侧的两个磁性层的相对磁化定向而变化。因此，可通过切换自由磁性层的磁化定向来切换TMR单元的测得电阻。

在转让给美光科技公司(Micron Technology Inc.)并以引用的方式并入本文中的第7,200,035号、第7,196,882号、第7,189,583号、第7,072,209号和第6,982,450号美国专利中揭示了磁阻存储器的一些实例。

非易失性随机存取存储器装置中所使用的另一类可变电阻变化材料是经掺杂的硫族化物材料。硫族化物是周期表的第VI族元素(例如，Te或Se)的合金。在此些装置中，例如硫族化物金属离子等快离子导体以及具有导电材料并被安置在快离子导体的表面处的至少两个电极(例如，阳极和阴极)被设置成彼此远离一段距离。经掺杂的硫族化物的特定实例是具有银离子的硒化锗。通常，为了在硒化锗材料内提供银离子，使用化学气相沉积将硒化锗沉积到第一电极上。随后(例如)通过物理气相沉积或另一技术将薄银层沉积在玻璃上。随后用紫外线辐射照射所述银层。所沉积的银的薄性质允许能量穿过银到达银/玻璃界面，以致使银扩散到硫族化物材料中。所施加的能量以及上覆的银导致银迁移到玻璃层中，使得最终实现银在整个层上的同质分布。

当将电压施加到阳极和阴极时，非易失性金属枝晶从阴极沿着快离子导体的表面朝阳极快速生长。枝晶的生长速率是所施加电压和时间的函数；通过移除所述电压，可使枝晶的生长停止，或通过使阳极和阴极处的电压极性颠倒，枝晶可朝阴极缩回，或甚至分裂。枝晶的长度和宽度的改变影响可变电阻存储器装置的电阻和电容。