CN101512788A - 使用能量转换层的相变存储器元件、包含相变存储器元件的存储器阵列及系统以及其制作及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种相变存储器元件(100)及形成所述相变存储器元件的方法。所述存储器元件包含电耦合到第一(14)及第二(22)传导材料层的相变材料层(24)。能量转换层(18)经形成而与所述相变材料层相关联且电耦合到第三传导材料层(26)。在所述相变材料层与所述能量转换层之间形成电隔离材料层(17)。

Description

使用能量转换层的相变存储器元件、包含相变存储器元件的存储器阵列及系统以及其制作及使用方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体装置，且更特定来说涉及相变存储器元件、包含相变存储器元件的存储器阵列及系统及其形成及使用方法。
背景技术
非易失性存储器因其在无供电的情况下维持数据的能力而成为集成电路的重要元件。相变材料已经研究以用于非易失性存储器单元中，其中包含能够在非晶相与晶相之间稳定转变的硫属化物合金。每一相位呈现特定的电阻状态且所述电阻状态区分所述存储器元件的逻辑值。具体来说，非晶状态呈现相对高的电阻，且结晶状态呈现相对低的电阻。
图1A及1B中所图解说明的常规相变存储器元件1具有一层相变材料8，其在第一与第二电极2、4之间且由介电材料6支撑。根据所施加通过第一及第二电极2、4的电流量将相变材料8设置到一特定电阻状态。为获得非晶状态(图1B)，施加通过常规相变存储器元件1的相对高的写入电流脉冲(重置脉冲)以熔化相变材料8中覆盖第一电极2达第一时间周期的至少一部分8a。移除电流且相变材料8迅速冷却到低于结晶温度的温度，此导致相变材料8的部分8a覆盖具有非晶状态的第一电极2。为获得结晶状态(图1A)，向常规相变存储器元件1施加较低电流写入脉冲(设置脉冲)达第二时间周期(通常比非晶相变材料的结晶时间的持续时间要长)以将相变材料8的非晶部分加热到低于其熔点但高于其结晶温度的温度。此致使相变材料8的非晶部分8a(图1B)再结晶为结晶状态，一旦移除电流且冷却相变存储器元件1即维持所述结晶状态。通过向所述电极施加不会改变相变材料8的相位状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种受欢迎的特性为低功率消耗。然而，常规的相变存储器元件经常要求大的操作电流。随着相变存储器按比例缩减以允许大规模的装置集成及每位的电流减小，相变单元的可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)以不断增大的表面积-体积比进一步缩小。可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)的增大的表面积-体积比致使通过表面的散热增加，且需要较大的功率密度来在可编程体积(例如图1A及1B的部分8a)中实现相同的局部加热。因此，较大的电流密度(约1×1012Amps/m2)对于相变单元的写入操作是必要的。较大的电流密度产生严重的关键可靠性问题，例如在常规相变存储器方法(其中单元自身充当加热元件)中被置于高电场下的相变材料原子(例如锗-锑-碲(GeSbTe))的电子迁移。
因此，可需要提供具有减少的电流要求的相变存储器元件。对于相变存储器元件，有必要具有可将相变材料加热超过其熔点并在非晶状态中将其淬火的电流密度。一种增大电流密度的方式是减小第一电极(图1A及1B的第一电极2)的大小。这些方法使第一电极2与相变材料8之间的界面处的电流密度最大化。虽然这些常规的解决方案通常是成功的，但可需要进一步减小相变存储器元件中的总电流，由此减小某些实施方案中的功率消耗，并可能地减小经过相变材料的电流密度以改善其可靠性。
相变存储器的另一所期望性质是其切换可靠性及一致性。常规的相变存储器元件(例如图1A及1B的相变存储器元件1)具有不受限制且可自由地侧向延伸的相变材料层(例如图1A及1B的相变材料层8)。因此，相变材料的迁移的非晶部分与结晶部分之间的界面可导致对相变单元的编程及再编程期间的可靠性问题。
发明内容
无
附图说明
图1A-1B图解说明常规的相变存储器元件；
图2A-2B分别图解说明根据本发明实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图3A-6B图解说明一种制作图2A及2B的相变存储器元件的实施例的方法的实施例的局部截面图及局部俯视图；
图7图解说明图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件的实施例的阵列的局部示意图；
图8是根据本发明第二实施例的相变存储器元件阵列的局部示意图；
图9A-9B分别图解说明根据本发明第三实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图10A-14图解说明一种制作图9A及9B的相变存储器元件的方法的实施例的局部截面图及局部俯视图；
图15图解说明根据本发明第四实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图；
图16A-16B分别图解说明根据本发明第五实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图17A-17B分别图解说明根据本发明第六实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图18A-18B分别图解说明根据本发明第七实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图19A-19B分别图解说明根据本发明第八实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图20A-20B分别图解说明根据本发明第九实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图及局部俯视图；
图21图解说明根据本发明第十实施例而构造的相变存储器元件的局部截面图；且
图22图解说明具有并入根据本发明实施例而构造的相变存储器元件的存储器装置的处理器系统的方块图。
具体实施方式
在以下详细说明中，参照本发明的各种具体实施例。以足够的细节描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实践本发明。应了解，可采用其它实施例，且可作出各种结构、逻辑及电改变。
以下说明中使用的术语“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)、经掺杂及未经掺杂的半导体、由基础半导体基底支撑的硅的外延层及其它半导体结构，其中包含由不同于硅的半导体制成的半导体结构。当在以下说明中提及半导体衬底或晶片时，可能已利用先前的处理步骤在基础半导体或基底中或上方形成了若干区或结。所述衬底无需基于半导体，但可以是适合支撑集成电路的任何支撑结构，其中包含但不限于金属、合金、玻璃、聚合物、陶瓷及此项技术中已知的任何其它支撑材料。
现在参照图式解释本发明，所述图式图解说明实施例，且在所有这些图式中，相同的参考编号指示相同的特征。图2A及2B图解说明根据本发明而构造的相变存储器元件100的第一实施例。
相变存储器元件100包含具有在其上形成的第一介电层12的衬底10及在第一介电层12的通孔24中形成的第一电极14。相变存储器元件100还包含形成于第一电极14上方并与其电连通的相变材料层16。相变存储器元件100还包含围绕相变材料层16的能量转换层18。在能量转换层18与相变材料层16之间形成材料元件17以电隔离这两个结构。在能量转换层18上方及周围形成第二介电层20。
第二介电材料20包含第一、第二及第三通孔29a、29b、29c，其分别允许在其中形成第二、第三及第四电极22、26、30。形成第三介电层28以围绕第二、第三及第四电极22、26、30。在第三介电层28上方形成第四介电层32。金属线30a在第四介电层32上方形成并与第四电极30连接。
图2B图解说明图2A的相变存储器元件100的局部俯视图。如图中所图解说明，能量转换层18围绕材料元件17，材料元件17围绕相变材料层16。第一及第二电极14、22与相变材料层16电连通。第三电极26与能量转换层18的第一部分18a电连通。第四电极也与能量转换层18的第二部分18b电连通。将第二、第三及第四电极22、26、30图解说明为具有沿第一方向A的纵向延伸。金属线30a沿垂直于第一方向A的第二方向B伸展，且在不接触第二及第三电极22、26的情况下接触第四电极30。
在操作中，相变存储器元件100具有执行不同功能的第一、第二、第三及第四电极14、22、26、30。在相变存储器元件100的读取操作期间，同时导通外围装置中电耦合到第一及第二电极14、22的晶体管，且读取相变材料层16的电阻性质。例如，高电阻(对应于相变材料层16的非晶状态)可表示数据值“1”。相反，低电阻(对应于相变材料层16的结晶状态)可表示数据值“0”。如下文针对图7及18所论述，将所述信息读出到外围电路。
在相变存储器元件100的写入操作期间，第三与第四电极26、30彼此联合运作以将相变材料层16的状态从非晶状态切换到结晶状态，或反之亦然。在操作中，导通外围装置中电耦合到第三及第四电极26、30的晶体管以允许电流流过能量转换层18(如图2B中的箭头a、b所指示)，从而加热相变材料层16以切换相变材料层16的状态。
常规的相变存储器元件(例如图1A及lB的相变存储器元件1)通常使用大量电流(约1×1012A/m2)，所述电流从第一电极2流过相变材料层8且流到第二电极4以用于写入及读取两种操作。图2A及2B的相变存储器元件100通过提供与第三及第四电极26、30相关联的能量转换层18来切换相变材料层16的状态而非施加直接通过相变材料层16的电流来减小流过相变材料层16的电流量。另外，在电流直接流过相变材料层16的情况下，激活能量转换层18所需的电流可远远低于改变相变材料层16的相位所必需的电流。因此减少了相变单元100的总体电流要求。
在相变存储器元件100的读取操作期间，读取相变材料层16的电阻状态所需的电流(通过第一及第二电极14、22的电流)与向相变材料层16写入所需的电流相比是极小的。因此，由于具有用于相变存储器元件100的读取及写入操作的单独机制，直接通过相变材料层16的电流量明显减少，从而导致例如相变材料的原子迁移的可靠性减小问题，如上文针对图1A及1B所论述。
应注意，相变存储器元件100仅为实例，且决不希望为限定性。例如，相变材料层16的低电阻状态可对应于数据值“0”，而相变材料层16的高电阻状态可对应于数据值“1”，且相变材料层16及能量转换层18的形状可具有不同于圆形的俯视形状。
图3A-6B图解说明一种制作图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件100的方法。本文中所描述的动作中的任一者均不要求特定次序，除了那些逻辑上需要前面动作的结果的动作之外。因此，虽然将以下动作描述为按特定次序执行，但所述次序仅为实例性且可视需要而更改。虽然显示单个存储器元件100的形成，但应了解，相变存储器元件100可以是可同时形成的存储器元件阵列中的一个存储器元件。
图3A及3B分别图解说明中间结构100a的局部截面图及局部俯视图。通过在衬底10上方提供第一介电层12来形成中间结构100a。通常蚀刻第一介电层12以产生通孔24(图2B)，在所述通孔内通过毯覆沉积且接着进行化学机械抛光(CMP)来将第一电极14形成到第一介电层12的表面。第一电极14可由任何合适的传导材料形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钨化钛(TiW)、铂(Pt)或钨(W)及其它材料。
通过在第一介电层12上方沉积及图案化保形或部分保形相变材料来形成相变材料层16。所沉积的相变材料可以是硫属化物材料，例如锗-锑-碲或碲化锗层。所述相变材料还可包含其它相变材料，例如：GeTe、In-Se、Sb2Te3、GaSb、InSb、As-Te、Al-Te、Ge-Sb-Te、Te-Ge-As、In-Sb-Te、Te-Sn-Se、Ge-Se-Ga、Bi-Se-Sb、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、Te-Ge-Sb-S、Te-Ge-Sn-O、Te-Ge-Sn-Au、Pd-Te-Ge-Sn、In-Se-Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge-Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn-Ni、Ge-Te-Sn-Pd及Ge-Te-Sn-Pt。
相变材料层16可经图案化以具有大致圆盘状俯视形状(见图3B)，其具有倾斜侧壁区16b以改善材料元件沉积的阶梯覆盖，如下文所论述。应注意，倾斜侧壁16b是可选的，且相变材料层16的侧壁16b可相对于第一电极14的顶部表面垂直、呈直线、呈非直线、呈弓形、倾斜以使得相变材料层16的顶部表面具有大于底部表面的表面面积，或可以是任何其它所期望的形状。相变材料层16可在顶部具有金属层以便更好地进行电接触。
在相变材料层16的上表面16a及侧壁区16b上形成材料元件17。材料元件17在沉积时在相变材料层16的表面上方自对准。在相变材料层16上方的自对准确保相变材料层16与随后沉积的能量转换层18(图4A及4B)电隔离。材料层17与相变材料层16的自对准可简化整个相变存储器元件100(图2A及2B)的处理及制作，且还可增加产量。材料元件17可由任何绝缘材料形成，例如但不限于：氮化硅；氧化铝；氧化物；高温聚合物；低介电常数材料；绝缘玻璃；或绝缘聚合物。
图4A及4B图解说明图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件100的制作中的进一步步骤。如图中所图解说明，在材料元件17的侧壁区17b上形成能量转换层18。能量转换层18在沉积时在材料层17的侧壁区17b上方自对准。在材料层17上方的自对准简化了整个相变存储器元件100(图2A及2B)的处理及制作，且还增加了制作产量。
所述能量转换层可由具有相对高电阻率且可耐受高温的任何材料形成，例如高熔点金属氮化物、碳化物及硼化物。例如，所述能量转换层可由选自以下的材料形成：TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、Cr3C2、Mo2C、WC、CrB2、Mo2B5、W2B5、TiAlN、TaSiN、TiCN、SiC、B4C、WSix、MoSi2、经掺杂硅、碳、铌、钨、钼或金属合金NiCr。
虽然能量转换层18并非在材料元件17的上表面17a上方形成，但其决非为限定性。例如，能量转换层18可在材料元件17的上表面17a上方形成；然而，能量转换层18应与相变材料层16及第二电极22(图2A及2B)电隔离以便进行适当操作。随后蚀刻材料层17的一部分以使得随后形成的第二电极22(图5A及5B)与相变材料层16电连接。
图5A及5B图解说明第二介电层20在材料元件17的上表面17a及能量转换层18的第一及第二区18a、18b上方的沉积。随后蚀刻第二介电层20以在其中产生第一及第二通孔29a、29b。同样移除相变材料层16上方的材料元件17的上表面17a的一部分以使得第一通孔29a延伸到相变材料层16。第二及第三电极22、26填充形成于第二介电层20内的第一及第二通孔29a、29b。形成第二电极22以使其延伸到相变材料层16，且由此与相变材料层16电连通。第二及第三电极22、26可由任何合适的传导材料形成，例如：氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钨化钛(TiW)、铂(Pt)或钨(W)及其它材料。
第二通孔29b经形成以延伸到能量转换层18的第一部分18a。在第二通孔29b内形成第三电极26以延伸到能量转换层18的第一部分18a以使得第三电极26与能量转换层18的第一部分18a电连通。在第二介电层20上方形成第三介电层28。在第三介电层28内形成触点22a、26a来分别作为第二及第三电极22、26的一部分。触点22a、26a经形成以沿第一方向A延伸，所述第一方向大致垂直于第二方向B。触点22a、26a允许电连通到外围电路，其中包含经激活以用于相变存储器元件100(图2A及2B)的读取及/或写入操作的晶体管，如下文针对图7所论述。
图6A及6B图解说明第四介电层32在第三介电层28上方的沉积。形成第三通孔29c以从第四介电层30的上表面延伸到能量转换层18的第二部分18b。随后用传导材料填充第三通孔29c以形成第四电极30。第四电极30可由任何合适的传导材料形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钨化钛(TiW)、铂(Pt)或钨(W)及其它材料。第四电极30应经形成以与第一、第二及第三电极14、22、26电隔离，且应与能量转换层18的第二部分18b电连通。如图中所图解说明，金属线30a在第四介电层32上方形成且与第四电极30电连通。金属线30a经形成以沿第二方向B延伸，所述第二方向大致垂直于第一方向A。金属线30a允许电连通到外围电路，其中包含经激活以用于相变存储器元件100(图2A及2B)的写入操作的晶体管，如下文针对图7所论述。
图7图解说明相变存储器元件100阵列(如图2A及2B中详细地图解说明)的局部俯视图。第一、第二、第三及第四电极14、22、26、30分别被示意性地图解说明为第一、第二、第三及第四晶体管42、44、46、48；为清晰起见，仅图解说明相变存储器元件100的相变材料16、材料元件17及能量转换层18。在相变存储器元件100的读取操作中，激活第一晶体管42以允许电流经过第一电极14及相变材料层16；同样激活第二晶体管44以允许电流从相变材料层16经过第二电极22，且将相变材料层16的电阻电平读出到感测放大器49，感测放大器感测与相变单元100的电阻相关联的信号。
在写入及/或擦除操作中，激活第三晶体管46以允许电流经过第三电极26及能量转换层18的第一部分18a(图2A)。允许电流从能量转换层18的第一部分18a(图2A)经过能量转换层18的第二部分18b(图2A)。当激活第四晶体管48时，电流流过第四电极30。从第三电极26流过能量转换层18且通过第四电极30流出的电流加热了能量转换层18，从而可改变在能量转换层18内形成的相变材料层16的相位。
如上文针对图2A及2B所论述，与常规的相变存储器元件(例如图1A及1B的相变存储器元件1)相比，流过相变材料层16的电流明显减少以用于编程(相变)操作，这是所期望的。
图8图解说明根据本发明第二实施例而构造的相变存储器元件100′阵列的局部俯视图。图8的相变存储器元件100′包含相变存储器元件100(图7)的各组件，并在第四电极与能量转换层18之间添加了二极管50(示意性地图解说明)。二极管50被用来进一步将能量转换层18与邻近的相变存储器元件100′隔离。
图9A及9B分别图解说明根据本发明另一实施例而构造的相变存储器元件200的局部截面图及局部俯视图。相变存储器元件200大致类似于图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件100；然而，其中所含有的组件在相变存储器元件200内具有不同配置。
相变存储器元件200包含衬底210及具有形成于其中的第一电极214的第一介电层212。绝缘材料元件217在第一介电层212上方形成。第二介电层220、第二电极230、第三介电层228、具有形成于其中的第三电极226的第四介电层232及第五介电层240均在绝缘材料元件217上方(在不同处理级处)形成。第四电极222在第五介电层240上方形成。
相变材料层216、材料元件217的一部分及能量转换层218均含纳于通孔215内，以使得相变材料层216与第一及第四电极214、222两者电连通。能量转换层218围绕通孔215中的相变材料层216，且绝缘材料元件217的若干部分使能量转换层218与相变材料层216电隔离。
图10A-14图解说明一种制作图9A及9B中所图解说明的相变存储器元件200的方法。本文中所描述的动作中的任一者均不要求特定次序，除了那些逻辑上需要前面动作的结果的动作之外。因此，虽然将以下动作描述为按特定次序执行，但所述次序仅为实例性且可视需要而更改。虽然显示单个相变存储器元件200的形成，但应了解，相变存储器元件200可以是可同时形成的存储器元件阵列中的一个存储器元件。
图10A及10B图解说明中间结构200a的局部截面图及俯视图。通过在衬底210上方形成第一介电层212且随后在第一介电层212内形成第一电极214来形成中间结构200a。在第一介电层212上方成功地沉积材料元件217、第二介电层220、第二电极230、第三介电层228及第四介电层232(在不同处理级处)。蚀刻第四介电层232以产生沟槽，在所述沟槽内形成第三电极226。在沉积第三电极226之后在第四介电层232上方形成第五介电层240。
第二与第三电极230、226大致相互垂直地形成，如图10B中所图解说明。所图解说明的第三电极226沿第一方向A延伸；而第二电极230则沿第二方向B延伸。
图11图解说明图10A的中间结构200a在具有形成在其中的通孔241之后的截面图；通孔241经形成以使得材料元件217的若干部分、第一电极214及第二及第三电极230、226中的每一者暴露在通孔241内。
图12图解说明能量转换层218在通孔241的侧壁部分上方的沉积。能量转换层218与通孔241的侧壁部分自对准。所述自对准可减少制作成本并增加产量。
图13图解说明移除暴露的材料元件217的一部分以使通孔241延伸到第一电极214的进一步蚀刻步骤及与能量转换层218自对准的额外材料元件217a的沉积。材料元件217a还囊封先前在通孔241的侧壁区上形成的能量转换层218。
图14图解说明相变材料层216在通孔241(图13)内及在第五介电层240的表面240a上方的沉积。在通孔241(图13)内的绝缘材料元件217的侧壁区上方沉积相变材料层216，且使其与在第一介电层212内形成的第一电极214电连通。相变材料层216与第一电极214自对准。平坦化第五介电层240的表面240a上方的相变材料层216，且在第五介电层240的上方沉积第四电极222(图9A)以使得第四电极222(图9A)与相变材料层216电连通。
再次参照图9A及9B，相变存储器元件200以大致类似于图2A及2B中所图解说明的相变存储器元件100的方式操作。在相变存储器元件200的读取操作期间，同时导通外围装置中电耦合到第一及第四电极214、222的晶体管，且读取相变材料层216的电阻性质。例如，高电阻(其对应于相变材料层216的非晶状态)可表示数据值“1”。相反，低电阻(其对应于相变材料层16的结晶状态)可表示数据值“0”。如下文针对图7所论述，将所述信息读出到外围电路。
在相变存储器元件200的写入操作期间，第二与第三电极230、226彼此联合运作以将相变材料层216的状态从非晶状态切换到结晶状态，或反之亦然。在操作中，导通外围装置中电耦合到第二及第三电极230、226的晶体管以允许电流流过能量转换层218(如图9B中的箭头所指示)，从而加热相变材料层216以切换其状态。
应注意，在沉积第四电极222(图9A)之前无需平坦化相变材料层216。例如，图15图解说明根据本发明另一实施例而构造的相变存储器元件200′。如图中所图解说明，相变材料层216′形成于通孔241(图12)内及通孔241(图11)内的绝缘材料元件217的侧壁区及第五介电层240的表面240a(图14)上方。第四电极222沉积在相变材料层216′上方。图15的相变存储器元件200′的操作大致类似于相变存储器元件200的操作。
图16A及16B图解说明根据本发明另一实施例而构造的相变存储器元件300。相变存储器元件300大致类似于图9A及9B中所图解说明的相变存储器元件；然而，相变存储器元件300具有分别形成于位于第二及第三电极230′、226′内的通孔241(图11)内的能量转换层218、材料元件217及相变材料层216。能量转换层218在第二及第三电极230′、226′内的布局可提高电流借以经过能量转换层218的效率，从而可减少相变存储器元件300的写入/擦除操作所必需的功率消耗。
图17A及17B图解说明根据本发明再一实施例而构造的相变存储器元件400。相变存储器元件400包含相变材料层316及第一、第二及第三电极314、330、326。相变存储器元件400内的其它材料层包含第一及第二绝缘材料层317a、317b，其分别使相变材料层316与能量转换层318电隔离及使相变材料层316与第三电极326电隔离。相变存储器元件400被制作在形成于衬底310上方的第一介电层312上。第一电极314在第一介电层312内形成。第二及第三介电层320、328也被分别提供为第一电极314与能量转换层318之间的及能量转换层318与相变材料层316之间的绝缘层。
在能量转换层318及第二与第三介电层320、328内形成通孔，所述通孔延伸到第一电极314。在延伸到第一电极314的通孔的侧壁部分上形成第一绝缘材料层317a。随后在通孔中所形成的第一绝缘材料层317a之间形成相变材料层316以使其与第一电极314电连通。同样在第三介电层328的表面上方图案化相变材料层316以使其与第二电极330电连通。
在图案化相变材料层316上方以及第三介电材料层328中不被相变材料层316覆盖的部分上方形成第二绝缘层317b。在第二绝缘层317b上方以及第三介电层中不被第二绝缘层317b覆盖的部分上方形成第四、第五及第六介电层332、334、336。在第五及第六介电材料层334、336形成之前，在第四介电层332、第二绝缘层317b、相变材料层316、第三介电层328、能量转换层318及第二介电材料层320中产生的通孔内形成第二电极330。
由此形成第二电极330，其与能量转换层318及相变材料层316电连通。第二电极330经形成以沿第一方向A延伸(图17B)，所述第二电极耦合到外围电路，如下文针对图18所论述。在第二电极330及第五与第六介电材料层334、336形成之后，在从第六介电材料层336延伸到第一介电材料层312的通孔内形成第三电极326。第三电极326与能量转换层318电连通地形成。第三电极326耦合到沿大致垂直于第一方向A的第二方向B(图17B)延伸的金属线326a；金属线326a耦合到外围电路，如下文针对图18所论述。
在相变存储器元件400的读取操作期间，同时导通外围装置中电耦合到第一及第二电极314、330的晶体管，且读取相变材料层316的电阻性质。例如，高电阻(其对应于相变材料层316的非晶状态)可表示数据值“1”。相反，低电阻(其对应于相变材料层316的结晶状态)可表示数据值“0”。如下文针对图7所论述，将所述信息读出到外围电路。
在相变存储器元件400的写入/擦除操作期间，第二与第三电极330、326彼此联合运作以将相变材料层316的状态从非晶状态切换到结晶状态，或反之亦然。在操作中，导通外围装置中电耦合到第二及第三电极330、326的晶体管以允许电流流过能量转换层318，从而加热相变材料层316以切换其状态。
图17A及17B中所图解说明的相变存储器元件400与上文(即，图2A-16B)所论述的相变存储器元件之间的不同是，外围装置中对应于第一及第三电极314、326的晶体管的栅极具有不同的所施加电压，由此具有在写入或读取时施加到能量转换层318及相变材料层316的两个不同的电流。例如，可通过向与第三电极326相关联的晶体管的栅极施加电压来调节经过第二电极330、能量转换层318及第三电极326的电流。
使用三个电极314、330、326降低了与使用四个电极相关联的制作成本，且进一步减少了相变存储器元件400的制作中所必需的材料的数目。
图18A及18B图解说明根据本发明另一实施例而构造的相变存储器元件500。相变存储器元件500分别具有第一、第二及第三电极414、430、426。相变存储器元件500内的其它材料层包含绝缘材料层417，其使相变材料层416与能量转换层418电隔离，且使相变材料层416与第三电极426电隔离。相变存储器元件500还包含材料层420、428、434及436，其通常为层间介电材料层。
相变材料层416、绝缘材料层417及能量转换层418与第一电极414自对准。所述自对准可简化整个相变存储器元件500的处理及制作。
在相变存储器元件500的读取操作期间，同时导通外围装置中电耦合到第一及第二电极414、430的晶体管，且读取相变材料层416的电阻性质。例如，高电阻(其对应于相变材料层416的非晶状态)可表示数据值“1”。相反，低电阻(其对应于相变材料层416的结晶状态)可表示数据值“0”。如下文针对图7所论述，将所述信息读出到外围电路。
在相变存储器元件500的写入/擦除操作期间，第二与第三电极430、426彼此联合运作以将相变材料层416的状态从非晶状态切换到结晶状态，或反之亦然。在操作中，导通外围装置中电耦合到第二及第三电极430、426的晶体管以允许电流流过能量转换层418，从而加热相变材料层416以切换其状态。
虽然相变存储器元件500大致类似于图17A及17B的相变存储器元件400，但将第二电极430直接放置到相变材料层416上，由此产生更有效率的电流转移，且能量转换层318围绕相变材料层316，从而产生更有效率的传热。相变存储器元件500以与上文针对图2A-6B所论述大致相同的方式形成。
为节省相变材料元件500中使用的相变材料的量，可如图19A及19B中所图解说明使用间隔件结构520。根据本发明再一实施例来构造相变材料元件500a。相变材料元件500a具有在相变材料层416a内形成并由其围绕的间隔件结构520。通过使用间隔件结构520，相变材料的体积与图18A及18B中所图解说明的相变材料元件500相比可明显减少。因此，归因于减少的相变材料的体积，将可编程体积的相变材料层416a的相位从非晶相改变为晶相所必需的电流减小。所图解说明的相变材料元件500a的另一特征是相变材料层416a与第一及第二电极414、430之间的减小的接触面积，这也减小了将可编程体积的相变材料层416a的相位从非晶相改变为晶相所必需的电流。
间隔件结构520通常由氮化物材料形成；然而，所述间隔件结构可由例如但不限于以下的任何绝缘材料形成：氮化硅；氧化铝；氧化物；高温聚合物；低介电材料；绝缘玻璃；或绝缘聚合物。应注意，所图解说明的相变材料元件500a可具有这样的配置：其中能量转换层418与相变材料层416a可被切换，其中能量转换层418与第一及第二电极414、430电接触，且相变材料层416a与第二及第三电极430、426电接触。在替代配置中，相变材料层416a将处于间隔件结构520的远端，且能量转换层418将处于间隔件结构520的近端。所述替代配置可应用于前文及下文中图2A-21的相变存储器元件中的任一者。
图20A及20B图解说明本发明的另一实施例。相变存储器元件500b大致类似于相变存储器元件500a，除了相变存储器元件500b具有在传导间隔件结构520b上方的相变材料层之外。传导间隔件结构520b可由任何传导材料层形成，例如氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiAlN)、钨化钛(TiW)、铂(Pt)或钨(W)及其它材料。另外，应注意，第一电极414可经形成以使其具有在第一介电层412的顶部表面上方延伸的顶部表面。如图20A中所图解说明，相变材料层416b与第二电极430接触地形成；然而，所述图解说明并不希望为限定性。例如，相变材料层416b可与第一电极414接触，且间隔件结构520b可与第二电极430接触。还应注意，相变材料层416b可在两个间隔件结构之间形成，每一间隔件结构接触第一及第二电极414、430，由此相变材料层416b不与第一及第二电极414、430中的任一者接触。
图21图解说明根据本发明再一实施例而构造的相变存储器元件600。相变存储器元件600分别包含第一、第二及第三电极514、530、526。如图中所图解说明，第一及第三电极514、526在衬底512内形成，衬底512在衬底310上方形成。相变材料层516与第一电极514电连通地形成。相变材料层516围绕间隔件结构620，从而允许形成相变材料层516所需要的相变材料减少，其特征已在上文针对图19A-20B而解释。相变材料层516还与第二电极530电连通地形成。
以自对准方式在相变材料层516的侧壁区上形成绝缘材料层517。绝缘材料层517使相变材料516与以自对准方式形成于绝缘材料层517的侧壁区上的能量转换层518绝缘。形成能量转换层518以使其与第二及第三电极530、526电连通。
在相变存储器元件600的读取操作期间，同时导通外围装置中电耦合到第一及第二电极514、530的晶体管，且读取相变材料层516的电阻性质。例如，高电阻(其对应于相变材料层516的非晶状态)可表示数据值“1”。相反，低电阻(其对应于相变材料层516的结晶状态)可表示数据值“0”。如下文针对图7所论述，将所述信息读出到外围电路。
在相变存储器元件600的写入/擦除操作期间，第二与第三电极530、526彼此联合运作以将相变材料层516的状态从非晶状态切换到结晶状态，或反之亦然。在操作中，导通外围装置中电耦合到第二及第三电极530、526的晶体管以允许电流流过能量转换层518，从而加热相变材料层516以切换其状态。
图22图解说明经简化的处理器系统900，其包含存储器电路901，存储器电路901具有根据本发明如上文针对图2A-21中所图解说明的实施例(例如，相变存储器元件100、100′、200、200′、300、400、500、500a、500b、600)所描述而构造的相变存储器元件100。在不作限定的情况下，这一系统可包含计算机系统、相机系统、扫描器、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统及其它采用存储器的系统。
处理器系统900可以是包含一个或一个以上处理器的任何系统，其一般包括中央处理单元(CPU)902，例如微处理器、数字信号处理器或其它可编程数字逻辑装置，中央处理单元(CPU)902经由总线904与输入/输出(I/O)装置906通信。存储器电路901通常通过存储器控制器经由总线904与CPU 902通信。
在计算机系统的情况下，处理器系统900可包含例如压缩磁盘(CD)ROM驱动器910的外围装置，所述外围装置也经由总线904与CPU 902及硬盘驱动器905通信。存储器电路901优选地构造为集成电路，其包含具有根据本发明的至少一个相变存储器元件100的存储器阵列903。如果需要，可将存储器电路901与所述处理器(例如CPU 900)组合在单个集成电路中。
应仅将以上说明及图式视为对实现本发明实施例的特征的实施例的实例的说明。可在不背离本发明的精神及范围的情况下对具体处理条件及结构做出修改及替换。因此，不应将本发明视为受限于前述说明及图式，而是仅由所附权利要求书来限定。

Claims (45)

1、一种存储器元件，其包括：
相变材料层，其电耦合到第一及第二电极；
能量转换层，其经形成而与所述相变材料层相关联，且电耦合到至少一第三电极；及
电隔离材料层，其形成于所述相变材料层与所述能量转换层之间。
2、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述电隔离材料层至少形成于所述相变材料层的侧壁上方。
3、如权利要求2所述的存储器元件，其中所述能量转换层形成于所述电隔离材料层的侧壁区上方。
4、如权利要求2所述的存储器元件，其中所述相变材料层的所述侧壁是倾斜的。
5、如权利要求2所述的存储器元件，其中所述电隔离材料层围绕所述相变材料层。
6、如权利要求2所述的存储器元件，其中所述相变材料层的所述侧壁大致垂直于下伏衬底的顶部表面。
7、如权利要求6所述的存储器元件，其中所述能量转换层具有至少部分地由所述电隔离材料层界定的形状。
8、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述能量转换层仅形成于所述电隔离材料层的侧壁上方。
9、如权利要求8所述的存储器元件，其中所述电隔离材料层的所述侧壁具有至少部分地由所述相变材料层界定的形状。
10、如权利要求8所述的存储器元件，其中所述能量转换层围绕所述电隔离材料层。
11、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述第一电极与第二电极位于所述相变材料层的相对表面上。
12、如权利要求11所述的存储器元件，其中所述第一与第二电极沿大致垂直的方向延伸。
13、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述第三电极经形成而与所述能量转换层的第一部分电连通。
14、如权利要求13所述的存储器元件，其进一步包括经形成而与所述能量转换层的第二部分电连通的第四电极。
15、如权利要求14所述的存储器元件，其中所述第三与第四电极沿大致垂直的方向延伸。
16、如权利要求14所述的存储器元件，其进一步包括耦合到所述第一、第二、第三及第四电极中的每一者的第一、第二、第三及第四晶体管。
17、如权利要求16所述的存储器元件，其进一步包括耦合到所述第一及第二电极中的至少一者的感测放大器。
18、如权利要求16所述的存储器元件，其进一步包括耦合于所述能量转换层与所述第三及第四电极中的至少一者之间的二极管。
19、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述相变材料层、所述绝缘层及所述能量转换层形成于通孔内，且所述第一及第二电极位于所述通孔的相对开口上且与所述相变材料层电连通。
20、如权利要求19所述的存储器元件，其中所述能量转换层接触所述第三电极及第四电极。
21、如权利要求19所述的存储器元件，其中所述通孔形成于与所述第二及第三电极中的至少一者相关联的宽度内。
22、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述相变材料层选自由以下组成的群组：GeTe、In-Se、Sb2Te3、GaSb、InSb、As-Te、Al-Te、Ge-Sb-Te、Te-Ge-As、In-Sb-Te、Te-Sn-Se、Ge-Se-Ga、Bi-Se-Sb、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、Te-Ge-Sb-S、Te-Ge-Sn-O、Te-Ge-Sn-Au、Pd-Te-Ge-Sn、In-Se-Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge-Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn-Ni、Ge-Te-Sn-Pd及Ge-Te-Sn-Pt。
23、如权利要求22所述的存储器元件，其中所述相变材料层包括锗-锑-碲。
24、如权利要求1所述的存储器元件，其中所述相变材料层、能量转换层及所述电隔离材料层均形成于通孔内，且所述通孔内的所述能量转换层由所述电隔离材料层围绕。
25、一种存储器阵列，其包括：
多个存储器元件，至少一个存储器元件包括：
衬底，其支撑第一介电层；
第一电极，其经形成而与所述第一介电层相关联；
第二介电层，其形成于所述第一介电层上方且具有到所述第一电极的通孔；
相变材料层，其定位于所述通孔内且具有与所述第一电极电连通的下表面；
电隔离材料元件，其形成于所述相变材料层的至少侧壁部分上；
能量转换层，其形成于所述电隔离材料元件的侧壁区上方；及
第二电极，其与所述相变材料层的上表面电连通。
26、如权利要求25所述的存储器阵列，其中所述能量转换层能够发出足以切换与所述相变材料层相关联的状态的热。
27、如权利要求25所述的存储器阵列，其进一步包括分别与所述能量转换层的第一及第二部分电连通的第三及第四电极。
28、如权利要求27所述的存储器阵列，其进一步包括能够分别激活所述第一、第二、第三及第四电极的第一、第二、第三及第四晶体管。
29、如权利要求28所述的存储器阵列，其进一步包括耦合于所述能量转换层与所述第三及第四电极中的至少一者之间的二极管。
30、一种处理器系统，其包括：
处理器；及
存储器装置，其耦合到包括至少一个存储器元件的所述处理器，所述存储器元件包括：
衬底，其支撑定位于第一与第二电极之间的电隔离材料；
相变材料层，其定位于所述第一与第二电极之间且由所述电隔离材料围绕，所述相变材料层与所述第一及第二电极电连通之处除外；及
能量转换层，其围绕所述电隔离材料元件的侧壁区，且与至少一第三电极电连通。
31、如权利要求30所述的处理器系统，其进一步包括耦合到所述能量转换层的第四电极。
32、一种形成存储器元件的方法，所述方法包括以下动作：
在衬底上方形成第一电极；
在所述第一电极上方形成电隔离材料元件；
在所述第一电极上方且在形成于所述电隔离材料元件中的通孔内形成相变材料层，所述相变材料具有与所述第一电极电连通的下表面；
形成与所述相变材料层相关联的能量转换层，所述能量转换层能够切换与所述相变材料层相关联的相位；及
形成与所述相变材料层的上表面电连通的第二电极。
33、如权利要求32所述的方法，其进一步包括将至少一第三电极耦合到所述能量转换层的第一部分。
34、如权利要求33所述的方法，其进一步包括将所述第一及第二电极中的一者耦合到所述能量转换层的第二部分。
35、如权利要求33所述的方法，其进一步包括将第四电极耦合到所述能量转换层的第二部分。
36、如权利要求32所述的方法，其中形成所述通孔以具有倾斜的开口。
37、如权利要求36所述的方法，其中形成所述通孔以具有第一开口及第二开口，所述第一与第二开口彼此不同。
38、如权利要求32所述的方法，其中将所述相变材料层形成为至少部分地确定为所述电隔离材料层的形状的形状。
39、如权利要求38所述的方法，其中将所述能量转换层形成为至少部分地确定为所述电隔离材料层的所述形状的形状。
40、如权利要求38所述的方法，其中大致垂直于所述衬底的最顶部表面形成所述电隔离材料层。
41、一种形成存储器元件的方法，其包括：
在衬底上方形成第一介电层，且用传导材料填充所述第一介电层内的通孔以形成第一传导材料层；
在所述第一介电层上方形成第一电隔离材料层；
在所述第一电隔离材料层上方形成第二及第三传导材料层；
在所述第二与第三传导材料层之间形成第二介电层；
在所述第一及第二介电材料层内形成通孔，所述通孔延伸穿过所述第二介电层的上表面到达所述第一电隔离材料层的上表面；
在所述通孔的侧壁上形成能量转换层，其中所述能量转换层与所述第二及第三传导材料层电连通；
在所述通孔内的所述能量转换层的暴露部分上方形成第二电隔离材料层；
蚀刻所述第一电隔离材料层的一部分，使得所述通孔从所述第二介电材料层的所述上表面延伸到所述第一传导材料层；
在所述通孔内形成相变材料层，其中所述相变材料层与所述第一传导材料层电连通；及
形成与所述相变材料层电连通的第四传导材料层。
42、如权利要求41所述的方法，其进一步包括形成能够分别激活所述第一、第二、第三及第四传导材料层的第一、第二、第三及第四晶体管的步骤。
43、如权利要求41所述的方法，其进一步包括形成耦合于所述能量转换层与所述第三及第四电极中的至少一者之间的二极管的步骤。
44、一种通过激活传导材料层使得电流流过围绕相变材料层的能量转换层来操作存储器元件的方法，所述电流能够切换与所述相变材料层相关联的状态。
45、如权利要求44所述的方法，其进一步包括激活第二传导材料层使得电流流过所述相变材料层，其中可检测所述相变材料层的电阻状态。
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