使用自对准相变材料层的相变存储器元件及其制造和使用方法技术

本发明专利技术提供一种相变存储器元件及其形成方法。所述存储器元件包含支撑第一电极的衬底。绝缘材料元件位于所述第一电极上，且相变材料层形成于所述第一电极上，并且围绕所述绝缘材料元件，使得所述相变材料层具有与所述第一电极电连通的下表面。所述存储器元件还具有第二电极，其与所述相变材料层的上表面电连通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体装置，且特别涉及相变存储器元件及其形成和使用方法。 ，狄A非易失性存储器因其能够在缺乏电源的情况下保存数据而成为集成电路的重要元 件。已经研究了相变材料以用于非易失性存储器单元。相变存储器元件包含相变材料， 例如硫属化物合金，其能够在无定形相与结晶相之间稳定地转变。每个相都展现出特定 的电阻状态，且所述电阻状态区分存储器元件的逻辑值。具体来说，无定形状态展现出 相对较高的电阻，而结晶状态展现出相对较低的电阻。图1A和图1B中说明的常规相变存储器元件1具有位于第一电极2与第二电极4 之间的相变材料层8，第一电极2和第二电极4由介电材料6支撑。根据第一电极2和 第二电极4所施加的电流的量将相变材料8设置成特定电阻状态。为了获得无定形状态 (图1B)，通过常规相变存储器元件l施加相对较高的写入电流脉冲(复位脉冲)，以便 在第一时间周期内熔化覆盖第一电极2的相变材料8的至少一部分。移除所述电流，且 相变材料8迅速冷却到低于玻璃转变温度的温度，这导致覆盖第一电极2的相变材料8 的所述部分具有无定形相。为了获得结晶状态(图1A)，在第二时间周期内(其持续时 间通常比第一时间周期和无定形相变材料的结晶时间长)，将较低的电流写入脉冲(设 置脉冲)施加到常规相变存储器元件1，以便将相变材料8的无定形部分加热到低于其 熔化点但高于其结晶温度的温度。这导致相变材料8的无定形部分重新结晶成结晶相， 一旦所述电流被移除且常规相变存储器元件l冷却，所述结晶相位就得以维持。通过施 加不会改变相变材料8的相态的读取电压来读取相变存储器元件1。非易失性存储器的一个所追求的特征是低功率消耗。然而，常规相变存储器元件通 常需要较大的操作电流。因此需要提供具有降低的电流要求的相变存储器元件。对于相 变存储器元件来说，有必要具有某一电流密度，所述电流密度将把相变材料加热到超过 其熔化点，且在无定形状态下对其进行淬火。 一种提高电流密度的方式是减小第一电极 的大小。这些方法会使第一电极与相变材料的界面处的电流密度增至最大。虽然这些常 规解决方法通常是成功的，但需要进一步减小相变存储器元件中的总电流，从而降低特 定应用中的功率消耗。相变存储器的另一合意的特性是其切换可靠性和一致性。常规的相变存储器元件 (例如图1A和图IB的相变存储器元件1)具有相变材料层的可编程区，所述可编程区 不受限制，且可自由地侧向延伸，而且相变材料的无定形部分与结晶部分之间的界面可 能会导致可靠性问题。所提出的本专利技术限制所述单元，因此其减小了在从结晶相改变成 无定形相期间侧向延伸的能力或无意间的故障。
技术实现思路
本专利技术的示范性实施例提供相变存储器元件及其形成方法。示范性存储器元件包含 支撑第一电极的衬底。绝缘材料元件位于所述第一电极上，且相变材料层形成在所述第 一电极上，并且围绕所述绝缘材料元件，使得所述相变材料层具有与所述第一电极电连 通的下表面。所述存储器元件还具有第二电极，其与所述相变材料层的上表面电连通。 附图说明从下文中参看附图对示范性实施例进行的详细描述，将更明白本专利技术的前述和其它 优点和特征，其中图1A到图1B说明常规的相变存储器元件；图2A到图2B分别说明根据本专利技术的示范性实施例构造的相变存储器元件的局部横 截面图和局部俯视图3A到图5B说明制造图2A和图2B的相变存储器元件的示范性方法的局部横截 面图和局部俯视图6A到图6B分别说明根据本专利技术的第二示范性实施例构造的相变存储器元件的局 部横截面图和局部俯视图7A到图8B说明图6A和图6B的相变存储器元件的示范性制造方法的局部横截 面图和局部俯视图9A到图9B分别说明根据本专利技术的第三示范性实施例构造的阵列相变存储器元件的局部横截面图和局部俯视图IOA到图IOB分别说明根据本专利技术的第四示范性实施例构造的阵列相变存储器元 件的局部横截面图和局部俯视图IIA到图IIE说明根据本专利技术的第五示范性实施例构造的阵列相变存储器元件的 局部横截面图和局部俯视图，以及制造第五示范性实施例的示范性方法；以及图12是具有并入有根据本专利技术的示范性实施例构造的相变存储器元件的存储器装 置的处理器系统的框图。具体实施例方式在以下详细描述中，参看本专利技术的各种特定实施例。用充分的细节来描述这些实施 例是为了使所属领域的技术人员能够实践本专利技术。应了解，可使用其它实施例，且可在 不偏离本专利技术的精神或范围的情况下，作出各种结构、逻辑和电性改变。以下描述中所使用的术语"衬底"可包含任何支撑结构，其中包含(但不限于)具 有暴露的衬底表面的半导体衬底。应了解，半导体衬底包含硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝 宝石上硅(sos)、掺杂和未掺杂的半导体、由基底半导体底座支撑的外延硅层以及其它半导体结构，其中包含由除硅之外的半导体制成的半导体结构。当在以下描述中提到半 导体衬底或晶片时，可能已经利用了前述工艺步骤在基底半导体或底座之中或之上形成 区或结。衬底也不需要是基于半导体的，而是可为任何适合支撑集成电路的支撑结构， 其中包含(但不限于)金属、合金、玻璃、聚合物、陶瓷和此项技术中已知的任何其它 支撑性材料。现参看图来阐释本专利技术，图中说明示范性实施例，且图中相同参考编号始终指示相同特征。图2A和图2B说明根据本专利技术构造的相变存储器元件100的示范性实施例。相变存储器元件100包含衬底10，其上面形成有第一介电层12，以及形成于第一 介电层12内的通孔24中的第一电极14。相变存储器元件IOO还包含氮化物元件16， 其形成于第一电极14上，且在围绕氮化物元件16的相变材料层18内。相变材料层18 本身由第二介电层20围绕。图2A的相变存储器元件100还包含形成于氮化物元件16 上并与相变材料层18电连通的第二电极22。图2B说明图2A的相变存储器元件100的局部俯视图。如所说明，相变材料层18 围绕氮化物元件16。氮化物元件16和相变材料层18形成于第一电极14上，使得相变 材料层18与第一电极14 (图2A)电连通。第一电极14形成于第一介电层12的通孔 24内。在操作中，图2A和图2B的相变存储器元件100具有以下优点由于相变材料层 18与第一电极14之间的接触面积减小，从而导致可编程的相变材料层18的体积减小， 因此与典型的相变存储器元件相比，所需要的电流较少(且因此，消耗的功率较少)。 由于相变材料层18与第一电极14和第二电极22之间的接触面积减小，所以将所说明 的相变材料层18的可编程体积的相从结晶改变成无定形所必需的电流减少。举例来说，常规的相变存储器元件(例如，图1的常规相变存储器元件1)通常具 有可编程体积的直径约为75 nm且高度约为50 nm因此体积约为2.2X 105 nm3的相变材料层。使具有直径约为75 nm的接触面积(4.4X 103 nm2)且体积为2.2X 105 nm3的相变 材料层复位所必需的电流大约为2mA。相反，如果相变材料层18的厚度t (图4A)约为5 nm，且高度h(图4A)与图l 的相变存储器元件1中的可编程体积相同，那么图2A和图2B的相变存储器元件100 可具有可编程体积为5.9X104 nmS的相变材料层18。图2A和图2B的相变存储器元件 100的可编程体积几乎是常规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储器元件，其包括：　衬底，其支撑第一电极；　绝缘材料元件，其位于所述第一电极上；　相变材料层，其位于所述第一电极上且围绕所述绝缘材料元件，所述相变材料具有与所述第一电极电连通的下表面；以及　第二电极，其与所述相 变材料层的上表面电连通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]