[发明专利]相变储存元件及其应用

说明书

一种相变储存元件、包含此相变储存元件的集成电路芯片及其制作方法。此相变储存元件包括一个相变储存区具有多重的相变区域(例如两个)，具有不同相变材料，串联于写入/读取线和选择元件的导电端之间。

技术领域

本发明涉及一种固态储存元件，特别涉及一种具有相变材料储存单元的固态储存单元。

背景技术

固态相变材料，例如硫族(chalcogen)元素(VI族元素，例如硫(sulfur， S)、硒(selenium，Se)和碲(tellurium，Te))与锗(germanium，Ge)、砷(arsenic，As)、硅(silicon，Si)和锑(antimony，Sb)其中至少一的合金的硫族化合物(chalcogenides)，目前已为该技术领域所熟知。硫族化合物是以至少两种可归类的固态结晶形态(classifiable solidstates)存在。最极端的两种结晶形态可以简单地分类为结晶态(crystalline state)和非晶态(amorphous state)。其他不易被归类的结晶形态则位于这两种结晶形态之间。非晶态具有不规则的原子结构。结晶态一般为多晶相 (polycrystalline)。每一种结晶型态都有非常不同的电性。当在非晶态时，有一些硫族化合物的电阻率(resistivity)会高到可视为绝缘体，也就是会使电路断开(open circuit)。当在结晶态时，同样的材料具有较低的电阻率，可用来作为电阻(resistor)。这些材料的阻值在非晶态和结晶态之间的变化高达6个数量等级。

将硫族化合物加热一段时间，可使其从第一种结晶型态(例如，非晶态)转换至第二种结晶型态(例如，结晶态)。再加热至另一个特定的温度并维持一段给定时间，其结晶型态会从第二种结晶型态反转回第一种结晶型态。因此相变材料可以选择性地进行设定(set)与复位(reset)操作。如同其他具有两个或更多可辨别和可选择状态的材料，这两种稳定的结晶型态可以指定其中一个为逻辑的1另一个为逻辑0。故而硫族化合物可以用来制作储存元件，特别是非挥发性的储存元件，例如储存单元储存介质。

对于良好的储存元件来说，储存材料必须在相对高的结晶温度且能迅速结晶，并在非晶态和结晶态之间表现出较高的电阻率差额。迅速结晶可提供快速的设定时间。结晶温度越高则具有越高的数据保存(data retention) 能力。电阻率差额越高越容易分辨不同结晶型态之间的分别。因此理想上，这个材料需要在结晶态时为短路(short)或是开启(on)状态，在非晶态时为开路(open)或是关闭(off)状态；而且一直到被人为地重新结晶为止，都必须停留在非晶态。特别是对具有数百万甚至数十亿的单一储存单元的大容量储存应用中，理想的硫族化合物写入操作，需要相对较少的电流或几乎无需电流，消耗相对较少的电能。想要减少写入电能，需要在低熔点时具有最小热传导率；而想要减少写入电流，则需要将焦耳热电阻率最大化。然而，上述的优良特性通常跨越了不同相变材料领域中的不同范围，该领域中并没有单独一种材料适合所有的应用，特别是大量储存单元 (massstorage cells)的应用。

因此，有需要改善相变储存材料的储存特性。特别是使相变储存材料具有小电阻的漂移、设定状态和复位状态之间明显不同、具有较长的数据保存时间，特别适用于高密度储存应用。

发明内容

本发明的特征是一种具有良好储存特性的储存元件；

本发明的另一个特征是一种具有复合储存区域的相变储存元件。其中，此复合储存区域具有低电阻飘移系数(resistance drift coefficient)、较长数据保存时间，并具有较高复位/设定比(reset/set ratio)；

本发明的又一个特征是一种具有多个串联储存区域的复合储存区域的相变储存元件。其中，此多个串联储存区域结合了较低的电阻飘移系数、较长的数据保存时间、较高的复位/设定比等特性，且不需要感测读取电路 (sensitive read circuits)或感测放大器(sense amplifiers)即可增进读取效能。