CN117083994A - 具有电阻衬里的相变存储器单元衬里 - Google Patents
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Abstract
公开了一种相变存储器(PCM)单元，其包括第一电极(102)、电连接到所述第一电极的加热器(104)、电连接到所述加热器的PCM材料(112)、电连接到所述PCM材料的第二电极(114)、以及与所述加热器的侧壁和所述PCM材料直接接触并电连接到所述加热器的侧壁和所述PCM材料的电阻衬里(108)。所述电阻衬里可具有L形截面，其中第一支腿沿所述加热器的所述侧壁延伸且第二支腿从所述加热器向外延伸。
Description
技术领域
本发明涉及计算机存储器，更具体地，涉及具有电阻衬里的相变材料存储器器件。
背景技术
相变存储器(PCM)可以用于人工智能的模拟计算中的训练和推理。PCM结构可以包括具有可调谐电导率和具有高保持力的总体高器件电阻的相变忆阻器件，以最小化能量消耗。这种调谐可以是在PCM材料中产生非晶相的结果。然而，PCM材料的电阻可随时间而改变，这可负面地影响所存储数据的完整性。
发明内容
根据本发明的实施例，一种相变存储器(PCM)单元包含第一电极、电连接到所述第一电极的加热器、电连接到所述加热器的PCM材料、电连接到所述PCM材料的第二电极以及电阻衬里，所述电阻衬里与所述加热器的侧壁及所述PCM材料直接接触且电连接到所述加热器的侧壁及所述PCM材料。
根据本发明的实施例，一种制造PCM单元的方法包含：形成第一电极；在所述第一电极上形成第一电绝缘层；在所述第一电绝缘层上形成电阻衬里；形成加热器，所述加热器从所述第一电极延伸且穿过所述第一电绝缘层和所述电阻衬里；在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料；以及在所述PCM材料上形成第二电极。
根据本发明的实施例，一种PCM单元包含第一电极、与所述第一电极直接接触且电连接到所述第一电极的加热器、与所述加热器直接接触且电连接到所述加热器的PCM材料、与所述PCM材料直接接触且电连接到所述PCM材料的第二电极以及第一电阻衬里，所述第一电阻衬里与所述加热器和所述PCM材料直接接触且电连接到所述加热器和所述PCM材料。
根据本发明的实施例，PCM单元包含第一电极、电连接到所述第一电极的加热器、电连接到所述加热器的PCM材料、电连接到所述PCM材料的第二电极以及电阻衬里，所述电阻衬里与所述加热器的侧壁直接接触且电连接到所述所述加热器的侧壁，其中所述电阻衬里具有L形横截面，其具有沿着所述加热器的所述侧壁延伸的第一支腿和从所述加热器向外延伸的第二支腿。
根据本发明的实施例，一种制造PCM单元的方法包含形成第一电极、在所述第一电极上形成第一电绝缘层及形成加热器，所述加热器从所述第一电极延伸且穿过所述第一电绝缘层。所述方法还包括在所述第一电绝缘层上和所述加热器的一部分上形成电阻衬里，使得所述加热器的一部分不被所述电阻衬里覆盖，在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料，以及在所述PCM材料上形成第二电极。
附图说明
现在将仅通过示例并参考以下附图来描述本发明的优选实施例
图1是根据本发明实施例的包含电阻衬里的PCM单元的横截面图。
图2A到2C是根据本发明的实施例的PCM单元在不同状态中及穿过其中的电流的一系列横截面图。
图3A-3C分别是根据本公开的实施例的图2A-2C的电路径的示意图。
图4A到4G是根据本发明实施例的制造PCM单元的方法的一系列横截面图。
图5是根据本发明的实施例的具有替代电阻衬里的替代PCM单元的横截面图。
图6A-6C是根据本发明的实施例的处于不同状态的替代PCM单元和通过其的电流的一系列横截面图。
图7A到7H是根据本发明的实施例的制造替代PCM单元的方法的一系列横截面图。
图8是根据本发明的实施例的具有另一替代电阻衬里的另一替代PCM单元的横截面图。
图9是根据本发明实施例的具有另一替代电阻衬里的另一替代PCM单元的横截面图。
具体实施方式
本文参照相关附图描述本公开的各种实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，可以设计出替代实施例。注意，在以下描述和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另外指明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本公开不旨在在这方面进行限制。因此，实体的偶联可以指直接或间接偶联，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。作为间接位置关系的例子，本说明书中提到在层“B”上形成层“A”包括这样的情况，其中一个或多个中间层(例如层“C”和“D”)在层“A”和层“B”之间，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被中间层改变。
以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“拥有”、“带有”、“有”、“备有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列要素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他要素。此外，除非另外明确说明，否则本文所包括的任何数值范围都包括其边界。
为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应涉及所描述的结构和方法，如附图中所定向的。术语“覆盖”、“在顶部上”、“定位在”或“定位在顶部”表示第一元件(例如，第一结构)存在于第二元件(例如，第二结构)上，其中中间元件(例如，界面结构)可存在于第一元件和第二元件之间。术语“直接接触”是指第一元件(例如，第一结构)和第二元件(例如，第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。应注意，术语“对……具有选择性”，例如，“第一元件对第二元件具有选择性”意指第一元件可被蚀刻，且第二元件可充当蚀刻停止层。
为了简洁起见，在此可能详细描述或可能不详细描述与半导体器件和集成电路(IC)制造有关的常规技术。此外，本文所述的各种任务和过程步骤可并入具有本文未详细描述的额外步骤或功能性的更综合程序或过程中。特别是，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各种步骤是公知的，因此为了简洁起见，许多传统步骤将在此仅简要提及或将被完全省略而不提供公知的工艺细节。
通常，用于形成将被封装到IC中的微芯片的各种工艺分为四个一般类别，即，膜沉积、去除/蚀刻、半导体掺杂和图案化/光刻。
沉积可以是生长、涂覆或以其它方式将材料转移到晶片上的任何工艺。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等。另一种沉积技术是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，其是一种使用等离子体内的能量来在晶片表面引发反应的工艺，否则该工艺将需要与常规CVD相关联的更高温度。在PECVD沉积期间的高能离子轰击还可以改善膜的电学和机械性能。
去除/蚀刻可以是从晶片去除材料的任何工艺。实例包括蚀刻工艺(湿法或干法)、化学机械平坦化(CMP)等。去除工艺的一个例子是离子束蚀刻(IBE)。通常，IBE(或研磨)是指干法等离子体蚀刻方法，其利用远程宽束离子/等离子体源，通过物理惰性气体和/或化学反应气体手段来去除衬底材料。与其它干法等离子体刻蚀技术类似，IBE具有诸如刻蚀速率、各向异性、选择性、均匀性、纵横比和最小化衬底损伤的优点。干法去除工艺的另一个例子是反应离子蚀刻(RIE)。通常，RIE使用化学反应等离子体去除沉积在晶片上的材料。利用RIE，等离子体在低压(真空)下通过电磁场产生。来自RIE等离子体的高能量离子攻击晶片表面并与其反应以去除材料。
半导体掺杂可以是通过掺杂(例如，晶体管源极和漏极)，通常通过扩散和/或通过离子注入，来改变电特性。这些掺杂工艺之后是炉退火或快速热退火(“RTA”)。退火用于激活注入的掺杂剂。导体(例如，多晶硅、铝、铜等)和绝缘体(例如，各种形式的二氧化硅、氮化硅等)的膜用于连接和隔离晶体管及其部件。半导体衬底的各个区域的选择性掺杂允许衬底的导电性随着电压的施加而改变。通过形成这些各种组件的结构，可构建数百万个晶体管并将其布线在一起以形成现代微电子器件的复杂电路。
半导体光刻可以是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，以便随后将图案转移到衬底上。在半导体光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建构成晶体管的复杂结构和连接电路的数百万个晶体管的许多布线，重复多次光刻和蚀刻图案转移步骤。印刷在晶片上的每个图案与先前形成的图案对准，并且逐渐地建立导体、绝缘体和选择性掺杂区域以形成最终器件。
图1是用于(例如)集成电路(未图示)中的PCM单元100的横截面图。在所说明的实施例中，PCM单元100包括底电极102、加热器104、绝缘体106、电阻衬里108、间隔物110、PCM材料112及顶电极114。加热器104在底端与底电极102直接接触并电连接，并且加热器104从其向上延伸到相对的上端。加热器104的下部被绝缘体106包围，其与加热器104的侧壁和底电极102的顶部直接接触。绝缘体106还与电阻衬里108的底侧直接接触，该底侧与加热器104直接接触并电连接到加热器104。加热器104延伸通过电阻衬里108和间隔物110，其围绕加热器104的侧壁并与其直接接触。间隔物110的底部与电阻衬里108的顶部直接接触，并且加热器104的上端与间隔物110的上端相连(即齐平)。PCM材料112在间隔物110、电阻衬里108、绝缘体106和加热器104上延伸并与它们直接接触。由此，PCM材料112电连接到加热器104的顶端和电阻衬里108的外侧。PCM材料112的顶侧还与顶电极114直接接触且电连接。
在所说明的实施例中，PCM单元100的横截面(进入图1的页面中)可为正方形，但在其它实施例中，其可为矩形、椭圆形、圆形或任何其它合适形状。另外，PCM材料112和顶电极114的宽度相同，而加热器104的宽度相对地显著减小(例如，其七分之一到三分之一，或约五分之一)。因此，PCM单元100可被认为具有蘑菇构造，其中电流可从底电极102穿过加热器104、电阻衬里108及PCM材料112流动到顶电极114。另外，PCM单元100可在底电极102处电连接到衬底116且在顶电极114处电连接到通孔118。衬底116可以是集成电路部件，例如场效应晶体管，并且通孔118可以是例如金属互连。
在所示的实施例中，底电极102和顶电极114由非常导电的材料构成，例如金属或金属化合物，例如氮化钛(TiN)或钨(W)。加热器104是由TiN或较高电阻金属(例如，钛钨(TiW)、氮化钽(TaN)或铝化钛(TiAl))组成的电极，且具有相对窄的横截面面积，其集中穿过PCM单元100的电流。这允许加热器104在电脉冲期间通过电阻加热产生热量，其可以用于选择性地改变PCM材料112的温度，例如，高于PCM材料112的结晶温度和熔化温度。此外，加热器104可以由可以布置在多个层中的多种不同的导电材料构成。
在所示实施例中，绝缘体106和间隔物110由电介质(电绝缘)材料构成，例如氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)或氮化硅碳化物(SiNC)。在一些实施例中，绝缘体106是与间隔物110相同的材料，并且在其他实施例中，绝缘体106是与间隔物110不同的材料。电阻衬里108由具有通常比常用的纯金属导体(例如铜(Cu)、铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)或银(Ag))高的电阻的导电材料构成。这样的材料可以是例如氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氧化铝(AlO)、TaN、TiN、氮化钨(WN)、钴钨(CoW)、镍钨(NiW)或氧化钇(YO)。电阻衬里108的电阻基本上大于加热器104的电阻(例如，五至五十倍，或约二十倍)。此外，电阻衬里108的电阻实质上大于PCM材料112在低电阻、多晶态(例如，十到四十倍，或约二十倍)下的电阻，且实质上低于PCM材料112在高电阻、非晶态(例如，五十分之一到五分之一，或约十分之一)下的电阻。电阻衬里108的电阻率可以在例如0.1欧姆微米(Ωμm)到1千欧姆微米(kΩμm)的范围内。
在所说明的实施例中，PCM材料112基本上由相变材料构成，例如锗-锑-碲(GST)、镓-锑-碲(GaST)或银-铱-锑-碲化物(AIST)材料，但可适当地使用其它材料。其它PCM材料的实例可包括但不限于锗-碲化合物材料(GeTe)、硅-锑-碲(Si-Sb-Te)合金、镓-锑-碲(Ga-Sb-Te)合金、锗-铋-碲(Ge-Bi-Te)合金、铟-碲(In-Se)合金、砷-锑-碲(As-Sb-Te)合金、银-铟-锑-碲(Ag-In-Sb-Te)合金、Ge-In-Sb-Te合金、Ge-Sb合金、Sb-Te合金、Si-Sb合金、Ge-Te合金及其组合。PCM材料112可为未掺杂的或掺杂的(例如，掺杂有氧(O)、氮(N)、硅(Si)或Ti中的一者或一者以上)。如本文关于不同层的材料所使用的术语“基本上组成”和“基本上由组成”指示其它材料(如果存在)不会实质上改变所叙述材料的基本特性。举例来说，基本上由GST材料组成的PCM材料112不包含实质上改变GST材料的基本特性的其它材料。
在所说明的实施例中，可通过使电流脉冲从底电极102传递到顶电极114以编程PCM单元100来将PCM单元100操作为存储器单元。此可在各种电压下和/或在各种持续时间内完成以读取或写入PCM单元100上的值。举例来说，为了写入，可使用高电压(例如，1伏(V)到4V)达短持续时间，此可致使加热器104局部地加热PCM材料112超过其熔点。一旦电流停止，PCM材料112可迅速冷却，这在称为“复位”的过程中形成非晶区120。区域120是具有非晶构造的PCM材料112的圆顶形区域，尽管PCM材料112的剩余部分仍然是多晶构造。通常，这种非晶构造没有明确的结构。然而，在区域120中可存在局部的、不相交的晶核(即，相变材料112的小结晶区)。区域120的产生可致使与仅有多晶构造(图2A中的PCM单元100)相比，PCM单元100上的电阻增加。可在不改变PCM材料112的状态(包含区域120的状态)或PCM单元100的电阻值的情况下读取PCM单元100的这些电阻值，例如，通过在低电压(例如，0.2V)下将电流脉冲从底电极102发送到顶电极114。
另外，可通过“设定”PCM单元100来重写PCM材料112并使其返回到仅多晶构造。一种重写PCM材料112的方法是使用短时间(例如10纳秒(ns))的高压电脉冲(例如1V到4V)，这可以使PCM材料112加热到超过其结晶点但不到其熔点。由于结晶温度低于熔化温度，一旦电流停止流动，PCM材料112就可以退火并形成晶体。另一种重写PCM材料112的方法使用具有相对长的后沿(例如，1微秒)的电脉冲(与具有纳秒量级的相对短的后沿的矩形脉冲相反)，该电脉冲足够强以将PCM材料112加热到超过其熔点，之后，PCM材料112缓慢冷却，允许形成晶体。这些过程中的任一者致使与具有非晶区域120(图1中的PCM单元100)相比，PCM单元100上的电阻减小。接着可使用低电压(例如，0.2V)下的电流来读取此新电阻值，而不改变PCM材料112的状态或PCM单元100的电阻值。
在一些实施例中，PCM材料112的熔化温度为约600℃。在一些实施例中，PCM材料112的结晶温度为约180℃。另外，设定和复位PCM单元100的过程可重复发生，且在一些实施例中，可在PCM材料112中产生具有不同电阻的不同区域120(例如，由于具有不同大小的区域120和/或区域120中的结晶核的量，如图2B和2C中所示)。此允许PCM单元100具有可通过改变复位参数而产生的各种不同电阻。因此，如果PCM单元100被认为表示信息数字，那么这些数字可为非二进制的(与传统位相反)。然而，在一些实施例中，PCM单元100可通过在PCM材料112中具有或不具有均匀区域120而用作位。在此些实施例中，PCM单元100可具有高电阻(又称为低电压输出或“0”)或低电阻(又称为高电压输出或“1”)。
PCM单元100的组件及构造允许包括电阻衬里108，同时仍允许加热器104直接接触PCM材料112。这防止了电阻衬里108影响PCM单元100的编程(例如，改变设置电阻)，如果电阻衬里108完全位于加热器104和PCM材料112之间，则会是这种情况。另外，间隔物110将加热器104与PCM材料112之间的接触面积减小到仅加热器104的顶部的大小。这减少了加热器104和PCM材料112之间的接触面积的量，使得从加热器104流出的电流被集中。这允许电脉冲具有低功率，因为存在分别在复位或置位期间熔化或结晶的PCM材料112的较小区域。这与不存在间隔物110使得PCM材料112接触加热器104的顶部和侧面的情形形成对比，在所述情形中电脉冲将需要高功率来影响PCM材料112的相。
图2A-2C是PCM单元100处于不同状态及电流穿过其中的一系列横截面图。图3A-3C分别是图2A-2C的电通路的示意图。更具体来说，PCM材料112在图2A及3A中处于单独多晶构造，PCM材料112在图2B及3B中具有小非晶区域120，且PCM材料112在图2C及3C中具有大非晶区域120。因此，将彼此结合地讨论图2A-2C和3A-3C。
在所示的实施例中，电阻衬里108的电阻介于多晶相的PCM材料112的电阻和非晶相的PCM材料112的电阻(区域120)之间。例如，非晶相PCM材料112的电阻可以是晶相PCM材料112的电阻的一百倍。在这样的实施例中，电阻衬里108的电阻可以大于结晶相PCM材料112的电阻，例如，在其十和四十倍之间。在一些实施例中，电阻衬里108的电阻可以比结晶相PCM材料112的电阻大，例如，为其约二十倍。例如，如果PCM材料112的结晶电阻可在10kΩ与100kΩ之间，则PCM材料112的非晶电阻可在1兆欧(MΩ)与10MΩ之间，且电阻衬里108的电阻可在200kΩ与2MΩ之间。
如本领域所公知的，电流将流过所有可用的路径。当一组并联路径具有相似的电阻时，则电流将以相似的量流过它们。然而，如果路径具有显著不同的电阻，则电流将以更大的量流过(多个)较低电阻路径。在这种情况下，该组并联路径的总电阻将由较低电阻路径的电阻支配。
在图2A的所图解说明的实施例中，PCM材料112仅处于多晶相。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径122从底电极102流动并通过加热器104。因为结晶PCM材料112是比电阻衬里108更好的导体，所以路径122直接延伸穿过PCM材料112到顶电极114。路径122是主要电路径的原因在图3A中示出。图3A将PCM单元100描绘为左侧的物理示意图及右侧的电示意图。如上所述，电脉冲从底电极BE到顶电极TE行进，并且结晶PCM材料C的电阻低于电阻衬里L和绝缘体I的电阻，因此，路径122延伸通过PCM材料C。
在图2B的所说明实施例中，PCM材料112包括小的非晶区域120。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径124从底电极102流动并通过加热器104。因为结晶PCM材料112和电阻衬里108是比非晶区域120更好的导体，所以路径124避免穿过非晶区域120的主体。相反，路径124分叉，使得路径124的一些穿过电阻衬里108和PCM材料112的结晶部分到达顶电极114，且路径124的一些穿过非晶区域120的短部分和PCM材料112的结晶部分到达顶电极114。路径124是主要电路径的原因在图3B中示出。图3B将PCM单元100描绘为左侧的物理示意图及右侧的电示意图。如上所述，电脉冲从底电极BE到顶电极TE行进。结晶PCM材料C的电阻低于电阻衬里L、绝缘体I和区域Z的电阻，电阻衬里L的电阻低于区域Z的电阻。因此，路径124主要通过电阻衬里L和PCM材料C延伸。
在图2C的所说明实施例中，PCM材料112包括大的非晶区域120。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径126从底电极102流过加热器104。因为结晶PCM材料112和电阻衬里108是比非晶区域120更好的导体，所以路径126避免穿过非晶区域120的主体。由于非晶区域120如此大，所以路径126完全避开非晶区域120，因此其延伸穿过电阻衬里108和结晶PCM材料112到达顶电极114。路径126是主要电路径的原因在图3C中示出。图3C描绘PCM单元100作为左侧的物理示意图及右侧的电气示意图。如上所述，电脉冲从底电极BE到顶电极TE行进。结晶PCM材料C的电阻低于电阻衬里L、绝缘体I和区域Z的电阻，电阻衬里L的电阻低于区域Z的电阻。因此，路径124主要通过电阻衬里L和PCM材料C延伸。
当PCM单元100处于不同状态时，路径122到126彼此不同的结果是PCM材料112中(例如，在区域120中)的电阻漂移的效应被电阻衬里108稀释。这是因为电阻衬里108的电阻是恒定的，而PCM材料112的电阻可以随时间而改变(例如，通过非晶区域120的尺寸随时间而改变)。
图4A到4G是制造PCM单元100的方法的一系列横截面图。在图4A中，提供衬底116，且在衬底116上形成底电极102。此外，根据需要，在衬底116上形成电介质128以使底电极102与其它组件电绝缘。衬底116可以由任何合适的半导体材料构成。例如，衬底116可以由任何类型的半导体衬底或晶片形成，包括但不限于硅、硅锗、IV族半导体材料、III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、绝缘体上硅(SOI)或在半导体芯片中使用的其它已知半导体材料。在一些实施例中，衬底116包括一个或多个半导体器件，例如晶体管、隔离沟槽、接触等。在一些实施例中，底电极102位于半导体器件上或半导体衬底116中的接触上。在一些实施例中，底电极连接到接触(未示出)，该接触通过层间电介质(未示出)延伸到下面的存取电路或衬底116中的晶体管(未示出)。在图4B中，绝缘体106、电阻衬里108和电介质130形成在底电极102和电介质128上。在图4C中，形成穿过电介质130、电阻衬里108和绝缘体106(向下到底电极102)的通孔。然后填充该通孔以形成加热器104。在图4D中，去除电介质130以暴露电阻衬里108和加热器104的侧壁和上端的一部分。
在图4E中，例如通过沉积间隔物材料层、掩蔽间隔物材料并使用RIE去除过量间隔物材料来形成间隔物110。在一些实施例中，绝缘体106、间隔物110、电介质128和电介质130由相同的材料构成，而在其它实施例中，它们中的一些或全部彼此不同。在图4F中，电阻衬里108的不在间隔物110下面的部分被去除以暴露绝缘体106的一部分。在一些实施例中，这发生在图4E中用于形成间隔物110的RIE工艺期间。在图4G中，PCM材料112和顶电极114形成在加热器104、绝缘体106、电阻衬里108和间隔物110上。这可以例如使用一个或多个掩模和RIE工艺来完成。
由此，PCM单元100可经制造使得电阻衬里108仅存在于PCM材料112的一部分下方且不需要额外掩模来形成到其最终大小(因为存在间隔物110)。此外，形成间隔物110允许加热器104的高度不像在一些其它实施例中那样关键。在这些其它实施例的一些中，例如，加热器104的顶部可以与电阻衬里108的顶部齐平。在此类实施例中，加热器104的侧壁不与PCM材料112接触，尽管不存在间隔物110。然而，由于电阻衬里108可以非常薄(例如，1纳米(nm)至10nm)，所以在不去除一些电阻衬里108的情况下，平坦化加热器104以与电阻衬里108齐平可能是困难的。
图5是替代PCM单元200的横截面图。在所说明的实施例中，PCM单元200类似于PCM单元100(图1中所示)，不同之处在于电阻衬里208沿着外侧和顶侧接触PCM材料112，且间隔物210对应地不同。因此，将对PCM单元200使用相同参考标号，其中对应组件与PCM单元100中的组件相同。然而，高一百的参考标号用于PCM单元200的不同于PCM单元100中的组件。
在所示实施例中，电阻衬里208具有L形横截面，其具有从加热器104向外延伸的支腿232和沿着加热器104的侧壁延伸的支腿234。由此，与间隔物210和加热器104的顶部齐平的支腿234的顶侧与PCM材料112直接接触并电连接，并且支腿232的外侧与PCM材料112直接接触并电连接。
图6A-6C是PCM单元200处于不同状态及电流通过其中的一系列横截面图。在图6A的所图解说明的实施例中，PCM材料112仅处于多晶相。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径222从底电极102流动并通过加热器104。因为结晶PCM材料112是比电阻衬里208更好的导体，所以路径222直接延伸穿过PCM材料112到达顶电极114。
在图6B的所说明实施例中，PCM材料112包括小的非晶区域120。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径224从底电极102流过加热器104。因为结晶PCM材料112和电阻衬里208是比非晶区域120更好的导体，所以路径224避免穿过非晶区域120的主体。相反，路径224分叉，使得路径224的一些穿过支腿234和PCM材料112的结晶部分到达顶电极114，路径224的一些穿过支腿232和PCM材料112的结晶部分到达顶电极114，且路径224的一些穿过区域120的较短部分和PCM材料112的结晶部分到达顶电极114。
在图6C的所说明实施例中，PCM材料112包括大的非晶区域120。因为加热器104是导电材料而绝缘体106不是，电脉冲将主要沿路径226从底电极102流过加热器104。因为结晶PCM材料112和电阻衬里208是比非晶区域120更好的导体，所以路径226避免穿过非晶区域120的主体。由于非晶区域120如此大，所以路径226避开非晶区域120，因此其延伸穿过电阻衬里208的支脚232和结晶PCM材料112到达顶电极114。
当PCM单元200处于不同状态时，路径222-226不同的结果是PCM材料112中(例如，在区120中)的电阻漂移的效应被电阻衬里208稀释。这是因为电阻衬里208的电阻是恒定的，而PCM材料112的电阻可以随时间变化(例如，通过区域120的尺寸随时间变化)。
图7A到7H是制造PCM单元200的方法的一系列横截面图。在图7A中，提供衬底116，且在衬底116上形成底电极102。此外，根据需要，在衬底116上形成电介质128以使底电极102与其它组件电绝缘。在图7B中，绝缘体106和电介质130形成在底电极102和电介质128上。在一些实施例中，绝缘体106和电介质130由相同的材料构成，而在其它实施例中，它们由不同的材料构成。在后一这样的实施例中，仅可沉积单个厚绝缘体层106(而不进行电介质130的第二沉积)。在图7C中，形成穿过电介质130和绝缘体106(向下到底电极102)的通孔。然后填充该通孔以形成加热器104。在图7D中，电介质130被去除以暴露绝缘体106和加热器104的侧壁和上端的一部分。在绝缘体106是代替电介质130的厚层的实施例中，可以执行深度受控蚀刻(例如，定时凹槽蚀刻)以将绝缘体106减小到其最终厚度。
在图7E中，电阻衬里208形成在绝缘体106和加热器104的侧壁和顶部上。在图7F中，例如通过沉积间隔物材料层、掩蔽间隔物材料、并使用RIE去除多余的间隔物材料来形成间隔物210。在一些实施例中，绝缘体106、间隔物210、电介质128和电介质130由相同的材料构成，而在其它实施例中，它们中的一些或全部彼此不同。在图7G中，电阻衬里208的不在间隔物210下面的部分被去除，以暴露绝缘体206的一部分和加热器104的顶部。此外，将间隔物210的顶部平坦化以与加热器104和电阻衬里208的顶部齐平。在图7H中，PCM材料112和顶电极114形成在加热器104、绝缘体106、电阻衬里208和间隔物210上。这可以例如使用一个或多个掩模和RIE工艺来完成。
由此，PCM单元200可经制造以使得电阻衬里208仅存在于PCM材料112的一部分下方且不需要额外掩模来形成到其最终大小(因为存在间隔物210)。此外，形成间隔物210允许加热器104的高度不像在一些其它实施例中那样关键。
图8是具有绝缘体306-1-306-4(统称为“绝缘体306”)和电阻衬里308-1-308-4(统称为“电阻衬里308”)的PCM单元300的截面图。在所说明的实施例中，PCM单元300类似于PCM单元100(图1中所示)，不同之处在于存在多个电阻衬里308和多个绝缘体306，且间隔物310也相应地不同。因此，将对PCM单元300使用相同参考标号，其中对应组件与PCM单元100中的组件相同。然而，高两百的参考标号用于PCM单元300的不同于PCM单元100中的组件。
在所示的实施例中，每个电阻衬里308直接接触并电连接到加热器104和PCM材料112，尽管每个电阻衬里308不直接接触任何其它电阻衬里308。相反，电阻衬里308通过绝缘体306彼此间隔开。虽然在图8中示出了四个绝缘体306和四个电阻衬里308，但是在其他实施例中可以存在更多或更少的绝缘体306和电阻衬里308。
例如，可以通过在类似于图4B中所描绘的步骤期间添加多个交替的层来形成多个绝缘体306和电阻衬里308。在一些实施例中，绝缘体306由与间隔物310不同的材料构成，使得在与图4F中所描绘的步骤类似的步骤期间，在去除绝缘体306-2-306-4和电阻衬里308-1-308-4的部分以暴露绝缘体306-1中的一些的工艺期间，间隔物310不被蚀刻。
虽然电阻衬里308的功能与单个电阻衬里108(图1中示出)相同，但是具有多个电阻衬里308允许电阻衬里308的材料的更大选择。例如，如果寻求特定的总电阻，则与仅具有单个电阻衬里108的实施例相比，可以使用更高电阻材料。这是因为多个电阻衬里308用作并联的电阻器，这可以降低总电阻。因此，如果希望使用特定材料，则可以相应地设置绝缘体306和电阻衬里308的数量。
图9是具有绝缘体406-1-406-4(统称为“绝缘体406”)和电阻衬里408的PCM单元400的剖视图。在所说明的实施例中，PCM单元400类似于PCM单元200(图5中所示)，不同之处在于存在电阻衬里408的多个支腿434-1-434-4(统称为“支腿434”)，其通过多个绝缘体406-1-406-4(统称为“绝缘体406”)彼此间隔开，且间隔物410也相应地不同。因此，将对PCM单元400使用相同参考标号，其中对应组件与PCM单元200中的组件相同。然而，高两百的参考标号用于PCM单元400的不同于PCM单元200中的组件。
在所示实施例中，电阻衬里408具有带翅片的横截面，其具有沿加热器104的侧壁延伸的支腿432和从加热器104向外延伸的支腿434。由此，与间隔物410和加热器104的顶部齐平的支腿432的顶侧与PCM材料112直接接触并电连接，并且支腿434的外侧与PCM材料112直接接触并电连接。虽然图9中示出了四个绝缘体406和四个支腿434，但是在其它实施例中可以有更多或更少的绝缘体406和支腿434。
多个绝缘体406和电阻衬里408可以例如通过在类似于图7E中所描绘的步骤之后添加多个交替层(图4B)来形成。在一些实施例中，绝缘体406由与间隔物410不同的材料构成，使得在与图7G中所描绘的步骤类似的步骤期间，在移除绝缘体306-2-306-4和电阻衬里408的部分以暴露绝缘体406-1的一些的工艺期间，间隔物410不被蚀刻。
虽然电阻衬里408的功能与电阻衬里208(图5所示)相同，但是具有多个支腿434允许电阻衬里408的材料有更大的选择。例如，如果寻求特定的总阻力，则与仅具有两个支腿232和234的实施例(电阻衬里208)相比，可以使用更高电阻的材料。这是因为多个支腿434充当并联的电阻器，这可以降低电阻衬里408的总电阻。因此，如果需要使用特定的材料，则绝缘体306和支腿434的数量可以相应地设定。
一些示例性实施例的进一步讨论
以下是本公开的一些示例性实施例的非排他性描述。
根据本发明的示范性实施例，一种PCM单元尤其包含：第一电极；加热器，其电连接到所述第一电极；电连接到所加热器的PCM材料；第二电极，其电连接到所述PCM材料；以及电阻衬里，其与所述加热器的侧壁和所述PCM材料直接接触并电连接到所述加热器的侧壁和所述PCM材料。
另外和/或替代地，前述段落的PCM单元可任选地包含以下特征、构造和/或额外组件中的任一者或一者以上：
前述PCM单元的另一实施例，其中所述PCM材料与所述加热器的末端直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘间隔物，所述电绝缘间隔物与所述加热器的所述侧壁和所述电阻衬里的一部分直接接触，使得所述电阻衬里仅与所述PCM材料在所述电阻衬里的与所述加热器相对的外端处直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述电阻衬里直接接触。
前述PCM单元中的任一者的另一实施例，其中：所述PCM材料的宽度是所述加热器的宽度的三至七倍。
根据本发明的示范性实施例的一种制造PCM单元的方法尤其包含：形成第一电极；在第一电极上形成第一电绝缘层；在第一电绝缘层上形成电阻衬里；形成加热器，所述加热器从所述第一电极延伸并穿过所述第一电绝缘层和所述电阻衬里；在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料；在PCM材料上形成第二电极。
另外和/或替代地，前述段落的方法可以可选地包括以下特征、构造和/或附加组件中的任何一个或多个：
前述方法的另一实施例，进一步包括：在电阻衬里上形成第二电绝缘层；其中，所述加热器延伸穿过所述第二电绝缘层。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：在形成加热器之后，去除所述第二电绝缘层。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：去除电阻衬里的一部分以暴露第一电绝缘层的一部分。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：在移除所述电阻衬里的所述部分之前，在所述加热器周围的所述电阻衬里上形成电介质间隔物。
根据本发明的示范性实施例，一种PCM单元尤其包含：第一电极；加热器，其与所述第一电极直接接触且电连接；PCM材料，所述PCM材料与所述加热器直接接触并且电连接到所述加热器；第二电极，其与所述PCM材料直接接触且电连接到所述PCM材料；以及第一电阻衬里，其与加热器和PCM材料直接接触并电连接。
另外和/或替代地，前述段落的PCM单元可任选地包含以下特征、构造和/或额外组件中的任一者或一者以上：
前述PCM单元的另一实施例，其进一步包括：电介质间隔物，其围绕所述加热器且在所述第一电阻衬里的一部分上，使得所述加热器仅与所述PCM材料在所述加热器的与所述第一电极相对的末端处直接接触，且所述第一电阻衬里仅与所述PCM材料在所述第一电阻衬里的与所述加热器相对的外末端处直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述第一电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述第一电阻衬里直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：第二电阻衬里，所述第二电阻衬里与所述加热器和所述PCM材料直接接触并且电连接到所述加热器和所述PCM材料，其中所述第二电阻衬里与所述第一电阻衬里间隔开。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电阻衬里与所述第二电阻衬里之间。
根据本发明的示范性实施例，一种PCM单元尤其包含：第一电极；加热器，其电连接到所述第一电极；电连接到所述加热器的PCM材料；第二电极，其电连接到所述PCM材料；以及与加热器的侧壁直接接触并电连接到加热器的侧壁的电阻衬里，其中电阻衬里具有L形横截面，该L形横截面具有沿着加热器的侧壁延伸的第一支腿和从加热器向外延伸的第二支腿。
另外和/或替代地，前述段落的PCM单元可任选地包含以下特征、构造和/或额外组件中的任一者或一者以上：
前述PCM单元的另一实施例，其进一步包括：电介质间隔物，所述电介质间隔物定位在所述电阻衬里的一部分上，使得所述电阻衬里仅在所述第一支腿的第一端部和所述第二支腿的第二端部处与所述PCM材料直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述电阻衬里直接接触。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，其中电阻衬里还包括：第三支腿，所述第三支腿从所述加热器向外延伸并且与所述第二支腿间隔开。
前述PCM单元中的任一个的又一实施例，还包括：电绝缘层，所述电绝缘层在所述第二支腿与所述第三支腿之间。
根据本发明的示范性实施例的一种制造PCM单元的方法尤其包含：形成第一电极；在所述第一电极上形成第一电绝缘层；形成从所述第一电极延伸并穿过所述第一电绝缘层的加热器；在所述第一电绝缘层上和所述加热器的一部分上形成电阻衬里，使得所述加热器的一部分不被所述电阻衬里覆盖；在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料；在所述PCM材料上形成第二电极。
[另外和/或替代地，前述段落的方法可以可选地包括以下特征、构造和/或附加组件中的任何一个或多个：
前述方法的另一实施例，其中形成电阻衬里包括：在所述加热器上形成所电阻衬里；以及移除所述电阻衬里的一部分以暴露所述加热器的一部分。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：去除所述电阻衬里的一部分以暴露所述第一电绝缘层的一部分。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：在移除所述电阻衬里的所述部分之前，在所述加热器周围的所述电阻衬里上形成电介质间隔物。
前述方法中的任一者的另一实施例，其进一步包括：在形成所述加热器之前，在所述第一电绝缘层上形成第二电绝缘层。
已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
Claims (25)
1.一种相变存储器(PCM)单元，包括：
第一电极；
加热器，其电连接到所述第一电极；
PCM材料，其电连接到所述加热器；
第二电极，其电连接到所述PCM材料；以及
电阻衬里，其与所述加热器的侧壁和所述PCM材料直接接触并电连接到所述加热器的侧壁和所述PCM材料。
2.根据权利要求1所述的PCM单元，其中所述PCM材料与所述加热器的末端直接接触。
3.根据权利要求2所述的PCM单元，还包括：
电绝缘间隔物，所述电绝缘间隔物与所述加热器的所述侧壁和所述电阻衬里的一部分直接接触，使得所述电阻衬里仅与所述PCM材料在所述电阻衬里的与所述加热器相对的外端处直接接触。
4.根据权利要求1所述的PCM单元，还包括：
电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述电阻衬里直接接触。
5.根据权利要求4所述的PCM单元，其中所述PCM材料的宽度是所述加热器的宽度的三到七倍。
6.一种制造相变存储器(PCM)单元的方法，所述方法包括：
形成第一电极；
在所述第一电极上形成第一电绝缘层；
在所述第一电绝缘层上形成电阻衬里；
形成加热器，所述加热器从所述第一电极延伸并穿过所述第一电绝缘层和所述电阻衬里；
在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料；以及
在所述PCM材料上形成第二电极。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在所述电阻衬里上形成第二电绝缘层；
其中，所述加热器延伸穿过所述第二电绝缘层。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
在形成所述加热器之后，去除所述第二电绝缘层。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
去除所述电阻衬里的一部分以暴露所述第一电绝缘层的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在移除所述电阻衬里的所述部分之前，在所述加热器周围的所述电阻衬里上形成电介质间隔物。
11.一种相变存储器(PCM)单元，包括：
第一电极；
加热器，其与所述第一电极直接接触且电连接到所述第一电极；
PCM材料，其与所述加热器直接接触并且电连接到所述加热器；
第二电极，其与所述PCM材料直接接触且电连接到所述PCM材料；以及
第一电阻衬里，其与所述加热器和所述PCM材料直接接触并电连接到所述加热器和所述PCM材料。
12.根据权利要求11所述的PCM单元，还包括：
电介质间隔物，其围绕所述加热器且在所述第一电阻衬里的一部分上，使得所述加热器仅与所述PCM材料在所述加热器的与所述第一电极相对的末端处直接接触，且所述第一电阻衬里仅与所述PCM材料在所述第一电阻衬里的与所述加热器相对的外末端处直接接触。
13.根据权利要求11所述的PCM单元，其还包括：
电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述第一电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述第一电阻衬里直接接触。
14.根据权利要求11所述的PCM单元，还包括：
第二电阻衬里，所述第二电阻衬里与所述加热器和所述PCM材料直接接触并且电连接到所述加热器和所述PCM材料，其中所述第二电阻衬里与所述第一电阻衬里间隔开。
15.根据权利要求14所述的PCM单元，其还包括：
电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电阻衬里与所述第二电阻衬里之间。
16.一种相变存储器(PCM)单元，包括：
第一电极；
加热器，其电连接到所述第一电极；
PCM材料，其电连接到所述加热器；
第二电极，其电连接到所述PCM材料；以及
电阻衬里，其与所述加热器的侧壁直接接触且电连接到所述加热器的所述侧壁，其中所述电阻衬里具有L形横截面，其中第一支腿沿所述加热器的所述侧壁延伸且第二支腿从所述加热器向外延伸。
17.根据权利要求16所述的PCM单元，还包括：
电介质间隔物，所述电介质间隔物定位在所述电阻衬里的一部分上，使得所述电阻衬里仅在所述第一支腿的第一端部和所述第二支腿的第二端部处与所述PCM材料直接接触。
18.根据权利要求16所述的PCM单元，还包括：
电绝缘层，所述电绝缘层在所述第一电极和所述电阻衬里之间并且与所述第一电极和所述电阻衬里直接接触。
19.根据权利要求16所述的PCM单元，其中所述电阻衬里还包括：
第三支腿，所述第三支腿从所述加热器向外延伸并且与所述第二支腿间隔开。
20.根据权利要求19所述的PCM单元，其还包括：
电绝缘层，所述电绝缘层在所述第二支腿与所述第三支腿之间。
21.一种制造相变存储器(PCM)单元的方法，所述方法包括：
形成第一电极；
在所述第一电极上形成第一电绝缘层；
形成从所述第一电极延伸并穿过所述第一电绝缘层的加热器；
在所述第一电绝缘层上和所述加热器的一部分上形成电阻衬里，使得所述加热器的一部分不被所述电阻衬里覆盖；
在所述加热器和所述电阻衬里上形成PCM材料；以及
在所述PCM材料上形成第二电极。
22.根据权利要求21所述的方法，其中形成所述电阻衬里包括：
在所述加热器上形成所述电阻衬里；以及
移除所述电阻衬里的一部分以暴露所述加热器的一部分。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：
去除所述电阻衬里的一部分以暴露所述第一电绝缘层的一部分。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
在移除所述电阻衬里的所述部分之前，在所述加热器周围的所述电阻衬里上形成电介质间隔物。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在形成所述加热器之前，在所述第一电绝缘层上形成第二电绝缘层。
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