[发明专利]相变存储装置及其制造方法

说明书

【相关申请案】

本申请案主张2009年7月15日申请的美国临时申请案第61/271,010号和2009年8月3申请的美国正式申请案第12/534,599号的权益。

技术领域

本发明是有关于包括相变存储材料的存储装置，其包括硫属化合物的材料(chalogenide based materials)与其它可编程电阻材料(programmable resistance material)，以及有关于存储装置的操作方法。

背景技术

相变存储材料，如硫属化合物的材料及类似材料，通过施加适于集成电路操作的电平的电流，可使其在非晶状态与结晶状态之间进行相变。相较于大体结晶状态(generally crystalline state)，大体非晶状态(generally amorphous state)的特性是具有较高的电阻率，由于两者之间的电阻率不同，因此易于感测以显示数据。此特性引起关注，因此有人使用可编程电阻材料来形成可随机存取以进行读取及写入的非挥发性存储电路。

从非晶改变为结晶(本文中被称为设定)通常为较低电流操作，也就是电流将相变材料加热到高于转变温度，可使主动区从非晶相转变至结晶相。而从结晶改变为非晶(本文中被称为重设)，通常为较高电流操作，其包括一短高电流密度脉冲，以熔化或崩解(breakdown)结晶结构，其后相变材料快速地冷却，以停止(quench)相变过程，使相变材料的主动区的至少一部分稳定于非晶相。可应用技术将主动区变小，以减少发生相变所需的电流量。

减少相变材料元件的尺寸及/或与相变材料元件接触的电极的尺寸可减少所需电流的量值，使得绝对电流值小的电流能在主动区中具有较高的电流密度。

一种控制主动区尺寸的方法是设计非常小的电极来将电流传递至相变材料的主体。此小电极结构将电流集中于接触窗的位置处的小区域(像蘑菇的头部)中。参见Wicker于2002年8月6日公告的题为“Reduced Contact Areas of Sidewall Conductor”的美国专利第6,429,064号；Gilgen于2002年10月8日公告的题为“Method for Fabricating a Small Area of Contact Between Electrodes”的美国专利第6,462,353号；Lowrey于2002年12月31日公告的题为“Three-Dimensional(3D)Programmable Device”的美国专利第6,501,111号；Harshfield于2003年7月1日公告的题为“MemoryElements and Methods for Making Same”的美国专利第6,563,156号。

控制主动区尺寸的另一种方法包括将电极间隔开，以使得在电极之间流动的电流通过相变材料的薄层的厚度而集中。参见Czubatyj等人的标题为“Memory Device and Method of Making Same”的美国专利申请公开案第US 2007/0048945号。亦参见由本申请案的受让人共有的以下申请案以及专利：Lung于2007年9月28日申请的题为“Memory Cell Having A Side Electrode Contact”的美国专利申请案第11/864,273号；Lung于2008年12月9日公告的题为“Memory Element with Reduced-Current Phase Change Element”的美国专利第7,463,512号；Lung于2008年8月7日申请的题为“Memory Cell Device with Coplanar Electrode Surface and Method”的美国申请案第12/023,978号。

习知的相变存储单元结构所存在的问题在于与相变材料接触的电极的散热效应(heat hink effect)。由于相变是经由加热而发生的，所以电极的导热性将会带走主动区的热，以致必须以较高电流来产生所需的相变。

较高的电流电平可能会导致存储单元有电性与机械可靠度的问题。这些问题包括在操作期间，热膨胀以及材料密度改变所引起的机械应力而在相变材料/电极界面处形成空隙。

另外，较高的电流电平亦可能导致一些问题，如局部加热足以引起电极以及相变材料的扩散/反应，及/或造成主动区内的相变材料的组成改变，导致存储单元的电阻切换效能衰退且可能造成故障。