[发明专利]相变化材料降低重新结晶时间的方法

说明书

技术领域

本发明是关于基于包含硫属化物及其它材料的相变化为基础存储材料的存储装置，特别是减少如此装置重新结晶(设置)时间的方法。

背景技术

相变化为基础的存储材料，例如硫属化物或其它类似的材料可以通过施加合适应用于集成电路中的电流阶级而导致在一非晶态与一结晶态之间的相变化。此大致为非晶态具有较大致为结晶态更高的电阻率，其可以很容易被感应而作为指示数据之用。这些特性引起了使用可编程电阻材料作为非易失存储器电路的兴趣，其可以进行随机存取的读取或写入。

从非晶态转变至结晶态，以下指称为设置(set)，一般是一低电流步骤，在其中电流会加热此相变化材料高于一转换温度以使一有源区域自非晶态转变至结晶态。从结晶态转变至非晶态，以下指称为复位(reset)，一般是一高电流步骤，其包括一短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相转换材料会快速冷却，抑制相转换的过程，使得至少部份相转换结构得以维持在非晶态。

此领域发展的一种方法是致力于在通过调整相变化材料中的掺杂浓度，及通过形成非常小尺寸的结构，以提供存储装置可以在低复位电流下操作。但是非常小尺寸相变化装置的一个问题是其承受力。特别是，使用相变化材料所形成的存储单元可能因为非晶态相对于结晶态的不稳定所造成的相变化材料组成的缓慢改变而失效。举例而言，存储单元中的有源区域被复位于一个大致为非晶态可能会随着时间而逐渐生成结晶态分布于此有源区域内。假如这些结晶区域互相连接而形成一低电阻路径通过此有源区域的话，当此存储单元读取时会被检测到低电阻状态而产生数据错误。可参见Gleixner的”Phase Change Memory Reliability”讲义，第22届NVSMW 2007。

相变化材料的结晶时间(tx)与结晶温度(Tx)是两个最重要的特性。其会强烈影响数据速率、数据保存及维持寿命，且因此决定一相变化材料是否合用一特定技术，例如可重复写入光学记录或是相变化随机存取存储器(PCRAM)。在光学储存媒体中，相变化记录层通常是夹置于两个绝缘层中；一金属层也是此多层结构的一部分以再写入时达到高冷却率。因此，一个基本的储存媒体通常包含四层叠层(IPIM叠层，即绝缘层-相变化材料-绝缘层-金属)。已经发表许多不同的尝试试图降低一基本相变化材料Ge-Sb-Te的结晶时间(其限制数据速率)。其包含通过氮/氧掺杂、薄膜厚度最佳化(建议最短擦除时间应用30纳米厚度)，及在介于一绝缘层与记录层之间插入一结晶化帮助接口层来调整Ge-Sb-Te性质。曾经研究过可以作为相变化记录层的接口层来调整其结晶速度的材料包括碳化硅、氮化硅、氮化锗(GeN)、氧化钽、氧化硅和氧化铪(可参见1.G.F.Zhou，Mater.Sci.Engi.A 304-306，73(2001)；2.G.F.Zhou、B.A.Jacobs和W.V.Es-Spiekman，Mater.Sci.Engi.A 226-228，1069(1997)；3.G.F.Zhou、B.A.Jacobs，Jam.J.Appl.Phys.38，1625(1999)；4.N.Ohshima，Jan.J.Appl.Phys.79(11)，8357(1996)；5.T.Nakai、T.Tsukamoto、S.Ashida、K.Yusu、N.Yoshida、K.Umezawa、N.Ohshima、N.Morishita、N.Nakamura和K.Ichihara，Jan.J.Appl.Phys.43(7B)，4987(2004)等论文。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种于一存储单元装置工艺中降低使用于一存储单元元件的相变化材料重新结晶时间的方法。该方法包含选取一相变化材料、一缓冲层材料及一包覆层材料。沉积该缓冲层材料于一衬底上至一缓冲层材料厚度，沉积该相变化材料于该缓冲层材料之上至一相变化材料厚度，在某些范例中最好小于30纳米而更好是小于10纳米。沉积该包覆层材料于该相变化材料之上至一包覆层材料厚度以形成一存储单元元件。决定该存储单元元件中该相变化材料的该重新结晶时间。假如该决定的重新结晶时间不小于一段时间X，改变所选取的材料或厚度至少一者后重复上述步骤。

本发明其它的目的及优点见于以下图示、实施方式及权利要求范围所述。

附图说明

图1为一多个存储单元电阻分布的范例，每一个存储单元包含一相变化存储元件。这些存储单元的相变化存储元件可以编程化至包含一高电阻复位状态及一个低电阻状态。

图2A至图2D显示代表性的现有技术存储单元结构。