CN1729583A - 包含相变材料的电器件 - Google Patents

包含相变材料的电器件 Download PDF

Info

Publication number
CN1729583A
CN1729583A CN 200380107107 CN200380107107A CN1729583A CN 1729583 A CN1729583 A CN 1729583A CN 200380107107 CN200380107107 CN 200380107107 CN 200380107107 A CN200380107107 A CN 200380107107A CN 1729583 A CN1729583 A CN 1729583A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
change material
electric device
resistor
contact zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 200380107107
Other languages
English (en)
Other versions
CN100521277C (zh
Inventor
M·H·R·兰克霍斯特
L·范皮特森
R·A·M·沃特斯
E·R·梅恩德斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
III Holdings 6 LLC
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN1729583A publication Critical patent/CN1729583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100521277C publication Critical patent/CN100521277C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

电器件(1，100)具有主体(2，101)，主体(2，101)具有电阻器(7，250)，电阻器(7，250)包含可在第一相和第二相之间转变的相变材料。电阻器(7，250)的电阻取决于相变材料处于第一相还是第二相。电阻器(7，250)也能够传导电流，用于促使从第一相到第二相的转变。相变材料是快速生长材料，它的组成式可以是Sb1－c Mc，其中c满足0.05≤c≤0.61，M是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的组中的一种或多种元素；或组成式可以是SbaTebX100－(a+b)，其中a、b和100－(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100－(a+b)≤22，以及X为选自Ge、In、Ag、Ga和Zn中的一种或多种元素。

Description

包含相变材料的电器件
本发明涉及到一种电器件，器件主体具有包含相变材料的电阻器，该相变材料能够在第一相和第二相之间转变，该电阻器的电阻取决于相变材料是处于第一相还是第二相，该电阻器能够传导电流，以使能够从第一相向第二相转变。
WO-A00/57,498公开了一种具有包含相变材料的电阻器的电器件的实施例，相变材料的大致成分为Sb2Te5Ge2。例如，它可以是Sb22Te56Ge22或Sb29Te57Ge14。假如具有处于第一相的相变材料的电阻器与具有处于第二相的相变材料的电阻器具有不同的电阻值，相变材料可以处于第一相，例如可以是晶态，第一和/或第二相都可以是部分非晶态和部分晶态。
电阻器电连接到第一导体和第二导体，从而能够测量电阻值。第一导体和第二导体可以包含，例如，下列材料中的一种或多种：钛、氮化钛、氮化铝钛、氮碳化钛(titanium carbon nitride)、硅钛、钼、碳、钨和钛钨。
电阻器、第一导体和第二导体能够传导电流，电流通过加热能够促使相变材料在第一相和第二相之间转变。认为对于从具有相对好的导电性的相(如晶相或以晶相为主的相)，转变到具有相对差的导电性的相(如非晶相或以非晶相为主的相)而言，使用相当强的电流加热引起相变材料熔化。在下文中“晶态”和“非晶态”这两个词分别指晶相或以晶相为主的相，以及非晶相或以非晶相为主的相。所述加热可以通过第一导体、第二导体、电阻器本身的电阻以及这些元件之间的接触电阻来实现。这些电阻中的哪一个对所述加热的贡献最大一般取决于这些元件的材料和形状。当电流断开时加热停止。然后相变材料冷却并且呈现更无序的状态。
当促使具有相对低的电导率的相向具有相对高的电导率的相转变时，上述加热最初由于导电性差而受阻，导电性差限制了通过相变材料的电流。相信通过在电阻器两端施加足够高的电压，所谓的击穿电压，可能在相变材料中引发局部电击穿，这导致高的局部电流密度。然后相应的加热足够使相变材料的温度增加到高于其结晶温度的值，由此促使从非晶相向晶相的转变。
已知的电器件可以用作电阻可调节的电阻器。这种类型的器件可以用在所有类型的电路和集成电路中，这些电路需要电阻能够在第一值和第二值之间切换的电阻器。
已知的电器件特别适于用作携带按电阻值编码的信息的电写入和擦除存储器单元。例如，当电阻相对较低时，存储器单元被赋值“0”；当电阻相对较高时，被赋值“1”。通过在电阻器两端施加电压并测量相应的电流可以很容易地测量阻值。通过引起如上所述的由第一相到第二相的相变可以将信息写入存储元件和从存储元件擦除信息。
已知的电器件的一个缺点是从非晶相到晶相的转变时间相对较长。这限制了电阻器值的设定速度。
本发明的一个目的是提供首段中所描述的电器件，它具有相对短的非晶相到晶相的转变时间。
本发明由独立权利要求定义。从属权利要求定义了优选实施例。
本发明所依据的一个观点是本发明所使用的相变材料的种类具有不同于已知相变材料的晶体生长机理。在用于电器件的已知相变材料中，从非晶相到晶相的转变通过成核发生，即结晶从非晶相内几个随机分布的点开始。因此在已知器件中的结晶时间与非晶相的体积无关。它受成核时间限制，对于已知相变材料成核时间大约为50ns。
与此对照，根据本发明的电器件包含称为快速生长材料的相变材料。快速生长材料中，晶相从非晶相和晶相的界面以高速生长，此速度称为结晶速度。对这些材料而言，结晶时间和非晶相的体积有关。这使得从非晶相到晶相的转变时间相对的短，特别是非晶相尺寸相对小时，例如，小于50nm。
在光学记录领域，这些与Sb69Te31的非晶相和晶相之间的相变相关的有利特性可从发表在2001年的Japanese Journal of AppliedPhysics，volume 40，第1592-1597页的“Phase-change media forhigh-humerical-aperture and blue wavelength recording”一文中得知，该文作者为H.J.Borg等。但是这篇文章没有提到快速生长材料令人吃惊地具有其它特性，这些特性使其适合作为根据本发明的电器件中的相变材料。本发明的发明者特别证实这些快速生长相比材料可在第一相和第二相之间变化，电阻器的阻值取决于相变材料是处于第一相还是第二相，该电阻器能够传导使得能够从第一相转变到第二相的电流。
优选的，根据本发明的电器件包含结晶速度至少为1m/s的相变材料。已知电器件的非晶相变材料尺寸约为10-20nm。将根据本发明的相变材料应用在这样的电器件中结果得到10-20ns或更少的切换时间。
在一个实施例中，相变材料的组成式为Sb1-cMc，其中C满足0.05≤c≤0.61，且M是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的组的一种或多种元素。可选地，该材料可以包含相对少量，例如小于5原子百分比的其它元素，如As、S、Se，这些元素不会明显改变结晶和电击穿行为。
根据本发明的电器件具有另外的优点，即从高电阻非晶态转变到低电阻晶态所需要的击穿电压低于已知电器件所需要的电压。这一点在使用先进晶体管切换该电器件时尤其有利，因为先进晶体管具有较小的尺寸，因而只能提供相对小的电压。本发明人已经证实击穿电压大致与处于非晶态的相变材料的带隙成比例，而带隙随Sb含量的增加而减小。优选相变材料包含至少50原子百分比的Sb。更优选相变材料包含至少10原子百分比的一种或多种元素M，因为这样增加了非晶态的稳定性，并且处于非晶态的相变材料在自发的重结晶发生之前能够承受相对高的温度。
根据本发明的电器件的另一优点在于一个事实，即晶相的电阻率比已知电器件中的低。因此，在晶相中的欧姆损耗比已知电器件中的少，可以节约功耗。此外，在根据本发明的电器件中，第一导体和相变材料之间以及第二导体和相变材料之间的接触电阻比已知电器件中的小。这允许使用较小的第一接触区和/或第二接触区，这对于根据本发明的电器件而言，导致较短的非晶相到晶相转变时间。
在根据本发明的电器件中，使用的Te的量比已知电器件中的少。这样做的优点是相变材料的活性低，提高了电器件的稳定性。特别是相变材料和与之连接的导体之间的界面处的反应减少。此外，由于Te量减少，根据本发明的电器件的相变材料具有相对低的蒸气压，从而可以采用较高的处理温度。优选相变材料基本不含Te。
优选的，一种或多种元素M包含Ge和/或Ga。由包含Ge和/或Ga的相变材料组成的电器件具有结晶温度相对高的优点，因此非晶相直到相对高的温度都是稳定的。结晶温度和非晶相的稳定性随着Ge和/或Ga浓度增加而增加。优选相变材料包含总浓度为5-35原子百分比的Ge和/或Ga，更优选Ge和/或Ga的总浓度为15-25原子百分比。一般优选相变材料包含少于30原子百分比的Ge，因为否则结晶温度和熔化温度太高，以致于需要相对高的能量引起从非晶相到晶相的转变并返回。当Ge和/或Ga的总浓度增加时结晶速度减小。结晶速度对Ge和/或Ga浓度的依赖性可以用来调节结晶速度。
此外，还优选相变材料包含少于35原子百分比的Ga，因为Ga浓度较高时非晶相和晶相的电阻差别较小，这导致测量电阻时产生误差。优选相变材料包含少于25原子百分比的Ga。
在一个实施例中，相变材料包含In和/或Sn。优选相变材料包含总浓度为5-30原子百分比的In和/或Sn。包含In和/或Sn的相变材料具有相对高的结晶速度和相对低的熔化温度，这意味着引起从第一相到第二相的相变需要相对小的能量。如果相变材料包含总浓度为15-25原子百分比的In和/或Sn通常是有利的。优选相变材料包含约20原子百分比的这些材料。
当相变材料包含总浓度超过20原子百分比的Ge和/或Ga时，优选相变材料还包含选自In和Sn的一种或多种元素，其浓度小于30原子百分比。根据该实施例的电器件由于存在Ge和/或Ga而具有相对高的非晶相稳定性，并且由于存在选自In和Sn的一种或多种元素而具有相对低的熔化温度。
在该实施例的一个修改中，相变材料的组成式是SbaTebX100-(a+b)，其中a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，X是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Zn和Sn的组中的一种或多种元素。添加后面元素的优点是相变材料具有相对高的结晶速度。可选地，该材料可以包含相对少量，例如小于5原子百分比的其它元素，如As、S、Se，这些元素不会明显改变结晶和电击穿行为。
如果元素X包括Ge，则是有利的。由含Ge的相变材料组成的电器件具有的优点是结晶温度相对高，因此非晶相直到较高温度都是稳定的。
在一个实施例中，相变材料包含大于10原子百分比且小于22原子百分比的Ge。在此情况下，相变材料的结晶温度为180-250℃。当结晶温度低于180℃时，非晶相的稳定性可能不足，特别是当电器件经受较高温度时。当结晶温度高于200℃时，例如为250℃时，需要较高的转变功率引起从非晶相到晶相的转变。
如果第一接触区小于或等于第二接触区，则是有利的，第一接触区具有特征尺寸d(单位nm)，6·a/b小于d。本发明的该实施例基于下列认识：为了能够执行由晶相到非晶相的相变，要求冷却时间(即相变材料冷却到低于结晶温度的温度的时间)小于结晶时间(即从非晶相返回到晶相的时间)。如果该条件不能满足，在冷却过程中熔化的非晶材料再结晶，导致和加热之前相同的相，即不可能实现从晶相到非晶相的相变。
对于根据本发明的电器件的相变材料，结晶在非晶相和晶相界面开始。因此，结晶时间由非晶相的特征尺寸除以结晶速度得到。此处，特征尺寸是在相变开始时非晶相-晶相之间的界面与最后结晶的点之间的最大距离。该尺寸近似于第一接触区的特征尺寸，假定第一接触区不大于第二接触区。
发明者已经通过模拟确定了冷却时间和通过实验确定了作为相变材料成分的函数的结晶速度。与上述准则结合使用这些模拟和测量的结果，表明为了防止非晶相冷却过程中的完全再结晶，6·a/b必须小于d(d单位为nm)。
在有些情况下，非晶相变体积的特征尺寸超出第一接触区，非晶相约为第一接触区尺寸的两倍。由此可将要求放宽到3·a/b小于d(d单位为nm)。在此情况下，可以使用表面积为二分之一的第一接触区。
在一个实施例中，电阻器的相变材料和具有晶体结构的结晶层直接接触。该结晶层在具有非晶相的体积具有和不同于相变材料的材料直接接触的表面区的情况下是有利的。当进行从非晶相到晶相的相变时，根据本发明的电器件的相变材料从晶相和非晶相的界面开始生长。因此在与不同于相变材料的材料直接接触的表面区，结晶延迟，导致相对长的结晶时间。通过引入具有晶体结构的结晶层，可以加速表面区的晶体生长。优选结晶层的晶体结构类似于相变材料的晶体结构。
如果结晶层具有小于100nm的厚度，则是有利的。结晶层是潜在的热沉，特别由于它的晶体结构。为了限制用于促进相变的加热过程中相应的热量从相变材料流出，结晶层应该较薄。厚度大于100nm的结晶层导致较大的热量从相变材料流出。优选结晶层的厚度小于50nm。
优选结晶层与第一接触区直接接触和/或与第二接触区直接接触，因为在第一接触区和/或第二接触区附近相变材料通常是非晶态的。如果结晶层导电并将第一接触区和第二接触区电连接，则通常是有利的。在此情况下，结晶层构成与相变材料平行排列的电旁路。结晶层因此能够传导电流，该电流可用来间接加热相变材料，以促进从第一相到第二相的相变。
优选结晶层的熔化温度高于相变材料的熔化温度。优选结晶层化学相对稳定以减少结晶层材料与相变材料混合的几率。
如果在一个电器件中存储多个位，则结晶层尤其有利。在此情况下，发生相变的相变材料的体积决定存储哪个位。因此利用延伸超出第一接触区和/或第二接触区的、经历相变的体积通常是方便的。特别是在这些情况下结晶层是有益的。
在根据本发明的电器件的一个实施例中，第一导体、第二导体、电阻器及该层构成存储元件，并且主体包括存储单元阵列，每个存储单元包含各自的存储元件和各自的选择器件以及选择线网络，通过连接到各自的选择器件的各自的选择线可以单独访问每个存储单元。
这种电器件可以用作非易失性、电可写入、电可读取和电可擦除存储器。由于每个存储元件包含选择器件，因此可以方便地选择每个存储元件用于读取数据，即用于测量电阻值，以及用于写入和擦除，即引起从第一相到第二相的相变。
本发明的存储元件可以电耦合到选择器件和耦合到选择线，从而形成存储器阵列。选择器件允许读和写各个分立的存储单元，而不影响存储在阵列中近处或远处存储单元中的信息。通常，本发明不限于使用任何特定类型的选择器件。选择器件的例子包含，例如可从WO-A97/07550得知的场效应晶体管、双板结型晶体管和二极管。场效应晶体管的例子包含诸如从WO-A 00/39028得知的JFET和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的例子包含NMOS晶体管和PMOS晶体管。此外，对于CMOS技术，NMOS和PMOS甚至可以在相同芯片上形成。
通常这种类型的电器件应尽可能紧凑，这意味着相邻电阻器相互之间的距离小。在这些包含根据本发明的介电材料的电器件中，串扰减少。
在一个实施例中，选择器件包含具有源区、漏区和栅极区的MOSFET，而选择线网络包含N个第一选择线、M个第二选择线(N和M为整数)，以及输出线。每个存储元件的第一导体电连接到选自相应的金属氧化物半导体场效应晶体管的源区和漏区中的第一区；每个存储元件的第二导体电连接到输出线；相应的金属氧化物半导体场效应晶体管的第二区电连接到N个第一选择线中的一个，该第二区选自源区和漏区并且不接触第一区，栅极区电连接到M个第二选择线中的一个。
在这类型的器件中，电阻器可以方便地与选择器件集成在一起。
将参考附图和表格进一步说明和描述根据本发明的电器件的这些和其它方面，其中：
图1是该电器件一个实施例的横截面；
图2A和2B分别是从非晶相到晶相和从晶相到非晶相的转变图；
图3的图示出了从非晶相向晶相转变时电流作为所施加电压的函数；
图4是作为Sb/Te比率的函数的结晶速度图；
图5是作为Ge含量函数的结晶速度图；
图6A和6B分别是作为Sb85Ga15和Sb85Ge15温度的函数的薄层电阻的图；
图7是该电器件的另一个实施例的横截面图。
其中：
表1表示电器件中使用的包含Te的相变材料的实施例；
表2表示不同成分的结晶温度；
表3表示组成式为Sb1-cMc的相变材料的实例，其中c满足0.05≤c≤0.61，M是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的组中的一种或多种元素。
表4表示表1中的相变材料的最小特征尺寸。
图未按比例绘制。通常，相同的部分用相同的参考数字表示。
如图1所示，电器件1具有包含衬底10的主体2，衬底10可包含，例如，单晶p-型掺杂硅半导体晶片。在衬底10的一个主要表面上，电阻器7嵌入在介质13(例如氧化硅)中。电阻器7包含可在第一相和第二相之间改变的相变材料。电器件1的相变材料是快速生长材料，它优选具有至少1m/s的结晶速度。在一个实施例中，该相变材料的组成式为Sb1-cMc，其中c满足0.05≤c≤0.61，M是选自Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的一种或多种元素。优选c满足0.05≤c≤0.5。更为优选c满足0.10≤c≤0.5。一组有利的相变材料具有一种或多种除Ge和Ga之外的总浓度小于25原子百分比的元素M，和/或包含总浓度小于30原子百分比的Ge和/或Ga。包含超过20原子百分比的Ge和Ga以及选自In和Sn的、总浓度为5-20原子百分比的一种或多种元素的相变材料具有相对高的结晶速度，同时具有相对较高的非晶相稳定性。
在另一个实施例中，相变材料的组成式是SbaTebX100-(a+b)，a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，X是选自Ge、In、Ag、Ga、Zn的一种或多种元素。例如，该相变材料可以是Sb72Te20Ge8，以下将描述上述类型的相变材料的其它实施例。电阻器7的表面具有第一接触区5和第二接触区6，以及这两个接触区之间的电阻R。当相变材料处于第一相时电阻具有第一值；而当相变材料处于第二相时电阻具有第二值。如文章“Phase-change mediafor high-numerical-aperture and blue wavelength recording”所描述的，相变材料可以通过溅射沉积。该文作者为H.J.Borg等，发表在Japanese Journal of Applied Physics，volume 40，第1592-1597页，2001。
主体2进一步包含电连接到第一接触区5的第一导体3(由例如二硅化钛(TiSi2)制成)和电连接到第二接触区6的第二导体4(由氮化钛(TiN)制成)。第一导体3和第二导体4分别连接到金属线8和9。金属线8和9包含钨并且分别具有接触焊盘12和11；它们允许电流通过第一导体3、第二导体4和电阻器7，用于加热相变材料以使得能够从第一相到第二相转变。为使第一接触区5和第二接触区6处的界面具有良好的稳定性，优选相变材料基本不含Te。
为了体现电器件1的转变行为的特征，在接触焊盘11和12之间施加电压U，测量施加电压后产生的电流I。典型的测量结果示于图2A和2B，其中实线和虚线分别表示电压U和电流I。
对于图2A的测量，电阻器7开始在t＝0时为非晶相。当t＝50ns时，施加约0.15V的第一电压脉冲，在该电压脉冲施加过程中不会产生任何明显的电流I。这表明电阻器的相变材料实际上处于高电阻非晶态。在t＝200ns时，施加约0.5V的第二电压脉冲，在该电压脉冲期间的确产生300μA的电流I。此时所提供的电压大于击穿电压，因此探测到明显的电流I。在t＝370ns时，施加和第一电压脉冲基本相同的第三电压脉冲，它产生约80μA的可探测到的电流I。这表明在第三电压脉冲期间相变材料处于具有较低电阻的更结晶化的相。在第二脉冲期间流经电阻器7的电流足够加热相变材料，以促使从非晶相到晶相的转变。
对于图2B的测量，电阻器7开始在t＝0时为晶相。当t＝50ns时，施加与第一电压脉冲基本相同的第四电压脉冲，它的确产生可探测到的约80μA的电流I。这表明相变材料处于具有较低电阻的更结晶化的相，类似于施加第三电压脉冲时的情形。在t＝200ns时，施加约0.8V的第四电压脉冲，在该电压脉冲期间的确产生700μA的电流I。此处施加的电压大到足以熔化晶相，并且熔融非晶相的冷却快速发生，快到足以将相变材料冻结在非晶相态。结果，在t＝370ns时所施加和第一电压脉冲基本相同的第六电压脉冲不再产生可探测到的电流I。
每个电压脉冲的持续时间为10ns。图2A和2B的结果表明根据本发明的电器件1可以从非晶相转变到晶相并从晶相转变到非晶相，转变时间最多10ns，比已知电器件的转变时间快3-5倍。
图3比较了根据本发明的电器件1和已知电器件的电击穿特性。对于两种器件，作为所施加电压U的函数测量电流I。测量开始时，相变材料处于非晶相。给器件施加0.1V的电压，结果产生一个小的电流I。随后增加电压并测量每个电压相应的电流。
在根据本发明的电器件1中，大约在Ubd＝0.45V时发生击穿，导致电流明显增加。在已知电器件中，大约在Ubd＝0.6V时发生击穿。电压U的进一步增加导致电流I线性增加。对于大于击穿电压Ubd的电压U，相应的微分电阻表示为Rbd。图3所示的结果表示根据本发明的电器件1具有比已知电器件小的击穿电压。
当相变材料的组成式是SbaTebX100-(a+b)时，其中a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，X是选自Ge、In、Ag、Ga、Zn的一种或多种元素，电器件1中使用的相变材料的结晶速度可通过改变Sb/Te比来调节，如图4所示。结晶速度为1m/s或更高，并且如果Sb的量相对于Te的量增加，结晶速度近似线性增加。根据本发明的电器件1的相变材料包含Sb和Te，Sb/Te比大于1且小于8。优选该比值小于4，因为对于较大的比值，结晶速度在大约4.5m/s以上。因而，在许多情况下，不可能获得非晶相，因为相变材料在冷却到结晶温度以下之前发生结晶。该相变材料进一步包含4-22原子百分比的元素X，元素X选自Ge、In、Ag、Ga和Zn。元素X可以包含这些元素中的一种或多种。表1给出了这类相变材料的实例。相变材料的结晶速度在1m/s以上，并且随Sb/Te比的增加而增加，与元素X的选取和其浓度无关。
Sb/Te Ge In Ag Zn Ga 组成
3.61.71.51.73.63.65.13.6443.63.63.63.63.33.36.784.5 81515106621281011 8510274 8 2 88443 Sb72Te20Ge8Sb54Te31Ge15Sb51Te34Ge15Sb57Te33Ge10Sb72Te20Ag8Sb72Te20Ga8Sb77Te15Ga8Sb72Te20In8Sb76Te19In5Sb72Te18In10Sb72Te20Ge6Zn2Sb72Te20Ge6In2Sb72Te19Ge2In7Sb72Te20Ga4In4Sb73Te22Ge1Ga4Sb73Te22Ge2Ga3Sb80Te12Ge8Sb80Te10Ge10Sb73Te16Ge11
表1：组成式是SbaTebX100-(a+b)的相比材料的例子，其中a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，X是选自Ge、In、Ag、Ga、Zn的一种或多种元素。Ge、In、Ag和Ga表示包含在该相变材料中的这些元素的原子百分比，Sb/Te表示Sb和Te的原子百分比之比。
当相变材料的组成式为Sb1-cMc，其中C满足0.05≤c≤0.61，并且M包含Ge时，电器件1中使用的相变材料的结晶速度可以通过改变Ge含量来调节，如图5所示。
如表2所示，相变材料的组成式为Sb1-cMc，其中C满足0.05≤c≤0.61，M是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的组中的一种或多种元素，其结晶温度通常比组成位于GeTe-Sb2Te3连线附近的相变材料的结晶温度高50-100℃。
这些材料另外的优点是高结晶温度相对较高，并且晶相的薄层电阻直到400℃都基本与温度无关。
化合物 Tc(沉积为非晶)(℃) Tc(结晶层中的非晶标记)(℃)
 Ga10Sb90Ga17Sb83Ga30Sb70Ge12Sb88Ge15Sb85Ge22Sb78Ge30Sb70Ge5In20Sb85Ga20In15Sb65Ge15Sn20Sb65  210233251235250271281200215212     165210154208246134190180
表2：不同组成的相变材料的结晶温度。
相变材料，组成式为Sb1-cMc，其中C满足0.05≤c≤0.61，M是选自Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的一种或多种元素，对于Sb85Ca15和Sb85Ge15两种组成，分别具有如图6A和6B所示的薄层电阻，一旦结晶，薄层电阻改变至少两个数量级。
c M  组成
0.150.150.150.120.220.150.080.10.150.150.20.350.550.30.30.50.50.350.350.35 GeInGaGeGeIn，GaGeGaIn，GeIn，GaInGe，SnGe，SnGeGaGa，SnIn，GeZn，Ge，InAg，Ge，InIn，Ge，Sn  Sb85Ge15Sb85In15Sb85Ga15Sb88Ge12Sb78Ge22Sb85In10Ga5Sb92Ge8Sb90Ga10Sb85In10Ge5Sb85In7.5Ga7.5Sb80In20Sb65Ge15Sn20Sb45Ge25Sn30Sb70Ge30Sb70Ga30Sb50Ga25Sn25Sb51In20Ge29Sb65Ge20In10Zn5Sb65Ge20In10Ag5Sb65Ge20Sn10In5
表3：组成式为Sb1-cMc的相变材料的例子，其中c满足0.05≤c≤0.61，且M是选自包括Ge、In、Ag、Ga、Zn和Sn的组中的一种或多种元素。
在另一个实施例中，如图7所示，在包含半导体衬底102的主体101中形成电器件100，半导体衬底102类似于图1中的衬底10。它包含N×M存储单元阵列，该阵列与从WO-A00/57498所得知的阵列相同，特别参见此专利申请书的图4。此处N和M是整数。每个存储单元包含各自的存储元件103和各自的选择器104。在图7所示的实施例中，每个存储单元包含两个独立的存储元件103A和103B。第一导体130A、第二导体270A、电阻器250和层127A和128构成了存储元件103A，而第一导体130B、第二导体270B、电阻器250和层127B和128构成了存储元件103B。换言之，存储元件103A和103B共用电阻器250和同一层128。在另一个实施例中，未表示出，层128被省去，层250与层260直接接触。还有一个实施例中，也未表示出，层127A和/或127B被省略。
电阻器250包含上述相变材料其中之一。它具有带有第一接触区132A和132B以及第二接触区272A和272B的表面。作为存储元件103A的一部分，电阻器250在第一接触区132A和第二接触区272A之间具有电阻，该电阻在相变材料处于第一相时具有第一值，而在相变材料处于第二相时具有第二值。作为存储元件103B的一部分，电阻器250在第一接触区132B和第二接触区272B之间具有电阻，该电阻在相变材料处于第一相时具有第一值，而在相变材料处于第二相时具有第二值。
接触区132A和132B分别小于或等于第二接触区272A和272B。第一接触区132A和132B各自具有特征尺寸d。在一个实施例中，Sb和Te的原子百分比a和b分别小于d/3，d单位为nm。对于给定的a/b比值，这意味着第一接触区132的最小特征尺寸为dmin，1＝6·a/b，其中d单位为nm。表4中给出不同a/b比值的典型dmin，1值。
当非晶相体积超出第一接触区时，第一接触区132的最小特征尺寸可以放宽到dmin，2＝3·a/b，其中d单位为nm。典型值也表示在表4中。
Sb/Te dmin，1(nm) dmin，2(nm)
1.51.73.33.644.55.1 910.219.821.6242730.6 4.55.19.910.81213.515.3
表4：电器件1的最小特征尺寸，其中相变材料不延伸超出第一接触区132，并且其中其延伸近似该接触区的特征长度的两倍。在第一种情况下，最小允许特征尺寸是dmin，1，在后一种情况下它是dmin，2。
第一导体130A和130B分别电连接到第一接触区132A和132B。第二导体270A和270B分别电连接到第二接触区272A和272B。第一导体130A、第二导体270A和电阻器250能够传导电流，该电流用于加热相变材料以使得能够从第一相到第二相转变，由此改变第一存储元件103A的电阻值。类似地，第一导体130B、第二导体270B和电阻器250能够传导电流，该电流用于加热相变材料以使得能够从第一相到第二相转变，由此改变第二存储元件103B的电阻值。
如图7所示实施例所表示的，介电材料层260提供电阻器250和输出线271之间的电隔离，从而使电阻器250只通过第二导体270A和270B连接到输出线271。介电层140使第一导体130A和第一导体130B电隔离。在电器件100的顶部淀积介电层180，该介电层可以包含硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)。
类似于从WO-A00/57498所知的电器件，第一导体130A和130B是导电的侧壁间隔也称为导电间隔，它沿介电区126的侧表面126S形成。电阻器250与第一导体130A和130B之间的接触区分别为第一接触区132A和132B。因此，电阻器250与第一导体130A和130B之间唯一的电耦合分别通过第一接触区132A和132B的全部或一部分。第一导体130A和130B的其余部分通过介电层126和140与电阻器250电隔离。
做为选择，可以通过从WO-A00/57498所知的共形淀积(conformally deposition)，将一个或多个接触层淀积到通孔的侧壁表面或表面上，而形成作为侧壁间隔的第一导体130A和/或130B。通孔可以是圆形、正方形、矩形或不规则形状。导电侧壁间隔也可以通过共形淀积一个或多个接触层到柱或台的侧壁表面形成。通孔的其余空间用介电材料层填充。
在电器件100中，如图7所示，电阻器250的相变材料与分别具有晶体结构的结晶层127A、127B和128直接接触。结晶层具有晶体结构。它可以是导体、半导体或电介质。例如，它可以包含PbTe、Ag2Te、CrTePb、Ge和Si。它具有2-100nm的厚度。结晶层127A和127B分别与第一接触区132A和132B直接接触。结晶层128与第二接触区272A和272B直接接触。结晶层127B是导电的并将第一接触区132B和第二接触区272B电连接。结晶层127B构成与相变材料平行排列的电学旁路。
主体101包含选择线网络，该网络包括N个第一选择线190、M个第二选择线120和输出线271，从而每个存储单元可通过连接到各自的选择器104的各自的选择线120和190被单独访问。电器件100的每个存储元件103A和103B电耦合到选择器件104，选择器件104是MOSFET，或者更具体的是NMOS晶体管。MOSFET具有n-型掺杂源区110、n-型掺杂漏区112和栅极区118。源区110和漏区112可以包含一种以上的n-型掺杂材料部分，即轻微掺杂n-部分和较重掺杂n+部分。
n-型掺杂源区110和漏区112被沟道区114分开。栅极区118在沟道区114上形成，它控制从源区110通过沟道区114流到漏区112的电流。栅极区118优选包含多晶硅层。栅极区118通过介电区116与沟道区114分隔开。
在n-型掺杂漏区112中形成沟道停止区113，产生不同NMOS晶体管的两个相邻的、电隔离的漏区112。通常，沟道停止区113具有和源和漏区110、112相反的导电类型。在所示的NMOS实施例中，沟道停止区113包含p-型掺杂硅。
在栅极区118上形成的是选择线120，它优选包含硅化钨层。选择线120用于传送电信号到栅极区118。在选择线120上形成的是介电区122，它使选择线120与电器件100的邻近区域电绝缘。层116、118、120的叠层统称为栅极叠层。在栅极叠层的侧壁表面上形成介质区126。
在上绝缘区180的顶部形成选择线190。选择线190可以用如铝或铜的导电材料形成。钨栓144将选择线190电连接到漏区110。应该注意在图2中所示的特定实施例中，两个NMOS晶体管共用各个钨栓144。可在硅衬底表面上形成硅化钛层(未表示出)，以提高衬底102和导电侧壁间隔130A和130B之间以及衬底102和导电栓144之间的导电性。导电栓144通过介电层126与栅极叠层电绝缘。
存储元件103A和103B的第一导体130A和130B分别电连接到第一区，第一区选自相应金属氧化物半导体场效应晶体管的源区110和漏区112。在图2的实施例中，第一区是漏区112。每个存储元件130A和103B的第二导体270电连接到输出线271，它可包括，例如，和第二导体270相同的材料。相应金属氧化物半导体场效应晶体管的第二区，电连接到N个第一选择线190之一，其中第二区选自源区110和漏区112，并且与第一区不接触。栅极区116电连接到M个第二选择线120之一。
在一个可供选择的实施例中，电器件具有如WO-A1-02/09206中任何一张图所示的结构或如WO-A1-02/09206的描述中所公开的结构。
根据本发明的电器件优选用于，例如像计算机、电视接收机或移动电话的电装置中，这些装置包含用于例如数据处理的处理器，存储器与所述处理器耦合用于存储信息。所述电装置进一步包含耦合到输出端的显示器。
总之，电器件1、100具有包含电阻器7、250的主体2、101，所述电阻器具有能够在第一相和第二相之间转变的相变材料。电阻器7、250的电阻取决于相变材料是处于第一相还是第二相。电阻器7、250能够传导使得能够从第一相到第二相相变的电流。相变材料是快速生长材料，它的组成式可以是Sb1-cMc，其中c满足0.05≤c≤0.61，M是选自包含Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn组中的一种或多种元素；或组成式可以是SbaTebX100-(a+b)，其中a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，以及X为选自Ge、In、Ag、Ga和Zn的一种或多种元素。
应该指出上述实施例说明而没有限定本发明，本领域的技术人员可以设计许多备选实施例而不偏离附加权利要求的范围。在权利要求中，圆括号中的任何参考标记不应该理解为是对本发明的限定。“包括”一词不排除有权利要求中所列元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的“一个”一词不排除有多个这样的元件的存在。

Claims (16)

1.一种电器件(1，100)，其主体(2，101)具有电阻器(7，250)，电阻器(7，250)包含可在第一相和第二相之间转变的相变材料，电阻器(7，250)的电阻值取决于相变材料处于第一相还是第二相，电阻器(7，250)能够传导使得能够从第一相到第二相转变的电流，该相变材料是快速生长材料。
2.如权利要求1所述的电器件(1，100)，其中相变材料具有至少1m/s的结晶速度。
3.如权利要求1所述的电器件(1，100)，其中相变材料的组成式是Sb1-cMc，其中c满足0.05≤c≤0.61，且M是选自包含Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn和Sn的组中的一种或多种元素。
4.如权利要求3所述的电器件(1，100)，其中c满足0.05≤c≤0.5。
5.如权利要求4所述的电器件(1，100)，其中c满足0.10≤c≤0.5。
6.如权利要求1所述的电器件(1，100)，其中相变材料基本不含Te。
7.如权利要求3所述的电器件(1，100)，其中相变材料包含总浓度为5-35原子百分比的Ge和/或Ga。
8.如权利要求3所述的电器件(1，100)，其中相变材料包含总浓度为5-30原子百分比In和/或Sn。
9.如权利要求1所述的电器件(1，100)，其中相变材料的组成式是SbaTebX100-(a+b)，其中a、b和100-(a+b)表示原子百分比，满足1≤a/b≤8和4≤100-(a+b)≤22，以及X为选自包含Ge、In、Ag、Ga、Zn和Sn的组中的一种或多种元素。
10.如权利要求9所述的电器件(1，100)，其中相变材料包含至少10％且不到22％的Ge。
11.如权利要求9所述的电器件(1，100)，其中电阻器(7，250)具有第一接触区(5，132)和第二接触区(6，272)，第一接触区(132)小于或等于第二接触区(272)，第一接触区具有特征尺寸d(单位nm)，d大于6·a/b。
12.如权利要求1所述的电器件(100)，其中电阻器(250)的相变材料与结晶层(127，128)直接接触，用于加速从非晶相到晶相的转变。
13.如权利要求12所述的电器件(100)，其中结晶层(127，128)与第一接触区(132)直接接触，和/或与第二接触区(272)直接接触。
14.如权利要求1所述的电器件(100)，其中电阻器(250)、电连接到电阻器(250)的第一导体(130)和第二导体(270)构成存储元件(103)，并且主体(101)包含：
存储单元阵列，每个存储单元包含各自的存储元件(103)和各自的选择器件(104)，以及
选择线网络(120，190)，每个存储元件可通过连接到各自的选择器件(104)的各自的选择线(120，190)被单独访问。
15.如权利要求14所述的电器件(100)，其中
选择器件(104)包含具有源区(110)、漏区(112)和栅极区(116)的金属氧化物半导体场效应晶体管，以及
选择线网络包含N个第一选择线(190)、M个第二选择线(120)以及输出线(271)，N和M为整数，每个存储元件(103)的第一导体(130)电连接到选自相应的金属氧化物半导体场效应晶体管的源区(110)和漏区(112)的第一区；每个存储元件的第二导体(270)电连接到输出线(271)；相应的金属氧化物半导体场效应晶体管的第二区电连接到N个第一选择线(190)中的一个，该第二区选自源区和漏区并且不接触第一区，栅极区(116)电连接到M个第二选择线(120)中的一个。
16.一种电装置，包含处理器、耦合到处理器的存储器以及耦合到处理器输出端的显示器，其中存储器包含如权利要求1所述的电器件。
CNB2003801071076A 2002-12-19 2003-12-03 包含相变材料的电器件 Expired - Fee Related CN100521277C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP02080430.8 2002-12-19
EP02080430 2002-12-19
EP03100583.8 2003-03-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1729583A true CN1729583A (zh) 2006-02-01
CN100521277C CN100521277C (zh) 2009-07-29

Family

ID=35925192

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2003801071076A Expired - Fee Related CN100521277C (zh) 2002-12-19 2003-12-03 包含相变材料的电器件
CNB2003801064975A Expired - Fee Related CN100401547C (zh) 2002-12-19 2003-12-05 具有相变材料的电子器件及其制造方法
CNB2003801066260A Expired - Fee Related CN100533755C (zh) 2002-12-19 2003-12-05 具有相变材料和平行加热器的电子器件

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2003801064975A Expired - Fee Related CN100401547C (zh) 2002-12-19 2003-12-05 具有相变材料的电子器件及其制造方法
CNB2003801066260A Expired - Fee Related CN100533755C (zh) 2002-12-19 2003-12-05 具有相变材料和平行加热器的电子器件

Country Status (1)

Country Link
CN (3) CN100521277C (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100461485C (zh) * 2007-01-17 2009-02-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法
CN101807665A (zh) * 2010-03-04 2010-08-18 同济大学 一种结晶温度可调的Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层相变薄膜材料
CN102227015A (zh) * 2011-05-24 2011-10-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种相变存储材料及其制备方法
CN102339951A (zh) * 2011-06-15 2012-02-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种dram相变存储单元及用于替代dram的相变存储器
CN101512788B (zh) * 2006-08-15 2012-03-21 美光科技公司 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
CN102544355A (zh) * 2010-12-09 2012-07-04 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 相变存储材料及其制备方法、具有相变存储材料的存储器及其制备方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008120126A1 (en) 2007-03-30 2008-10-09 Nxp B.V. An electronic device, and a method of operating an electronic device
US8470635B2 (en) * 2009-11-30 2013-06-25 Micron Technology, Inc. Keyhole-free sloped heater for phase change memory
GB2515568B (en) 2013-06-28 2016-05-18 Ibm Resistive random-access memory cells

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5166758A (en) * 1991-01-18 1992-11-24 Energy Conversion Devices, Inc. Electrically erasable phase change memory
US5534712A (en) * 1991-01-18 1996-07-09 Energy Conversion Devices, Inc. Electrically erasable memory elements characterized by reduced current and improved thermal stability
US5789758A (en) * 1995-06-07 1998-08-04 Micron Technology, Inc. Chalcogenide memory cell with a plurality of chalcogenide electrodes
US5933365A (en) * 1997-06-19 1999-08-03 Energy Conversion Devices, Inc. Memory element with energy control mechanism
EP1760797A1 (en) * 1999-03-25 2007-03-07 OVONYX Inc. Electrically programmable memory element with improved contacts
US6339544B1 (en) * 2000-09-29 2002-01-15 Intel Corporation Method to enhance performance of thermal resistor device

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101512788B (zh) * 2006-08-15 2012-03-21 美光科技公司 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
CN100461485C (zh) * 2007-01-17 2009-02-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法
CN101807665A (zh) * 2010-03-04 2010-08-18 同济大学 一种结晶温度可调的Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层相变薄膜材料
CN101807665B (zh) * 2010-03-04 2012-07-25 同济大学 一种结晶温度可调的Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层相变薄膜材料
CN102544355A (zh) * 2010-12-09 2012-07-04 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 相变存储材料及其制备方法、具有相变存储材料的存储器及其制备方法
CN102544355B (zh) * 2010-12-09 2014-12-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 相变存储材料及其制备方法、具有相变存储材料的存储器及其制备方法
CN102227015A (zh) * 2011-05-24 2011-10-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种相变存储材料及其制备方法
CN102227015B (zh) * 2011-05-24 2015-07-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种相变存储材料及其制备方法
CN102339951A (zh) * 2011-06-15 2012-02-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种dram相变存储单元及用于替代dram的相变存储器
CN102339951B (zh) * 2011-06-15 2016-01-20 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种dram相变存储单元及用于替代dram的相变存储器

Also Published As

Publication number Publication date
CN1726602A (zh) 2006-01-25
CN100521277C (zh) 2009-07-29
CN1729575A (zh) 2006-02-01
CN100533755C (zh) 2009-08-26
CN100401547C (zh) 2008-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1576676B1 (en) Electric device comprising phase change material
CN1873996A (zh) 相变随机存取存储器及其操作方法
US9685483B2 (en) Selector-based non-volatile cell fabrication utilizing IC-foundry compatible process
US6404665B1 (en) Compositionally modified resistive electrode
US9825223B2 (en) Fin selector with gated RRAM
US6339544B1 (en) Method to enhance performance of thermal resistor device
US6563164B2 (en) Compositionally modified resistive electrode
US6555860B2 (en) Compositionally modified resistive electrode
US6429064B1 (en) Reduced contact area of sidewall conductor
EP1878064B1 (en) Method and structure for peltier-controlled phase change memory
US20070267721A1 (en) Phase Change Memory Cell Employing a GeBiTe Layer as a Phase Change Material Layer, Phase Change Memory Device Including the Same, Electronic System Including the Same and Method of Fabricating the Same
US8586960B2 (en) Integrated circuit including vertical diode
US20090201715A1 (en) Carbon Diode Array for Resistivity Changing Memories
CN1808736A (zh) 相变存储单元和形成其的方法
CN101944568A (zh) 具有自对准垂直加热器和低电阻率接口的相变存储器单元
CN1276510C (zh) 非挥发记忆胞元
WO2010016869A2 (en) Phase change memory structures and methods
CN101027797A (zh) 具有包括相变材料的纳米线的电装置
CN1627546A (zh) 场致发射的相变二极管存储器
CN101533849A (zh) 电阻式存储器器件及其形成方法
KR20100032580A (ko) 상변화 기억 소자 및 그 제조방법
JP2007149900A (ja) 相変化メモリ装置および相変化メモリ装置の製造方法
US20140158970A1 (en) Novel rram structure at sti with si-based selector
CN1729583A (zh) 包含相变材料的电器件
CN101483185B (zh) 存储器单元和存储器阵列

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: III HOLDINGS 6, LLC

Free format text: FORMER OWNER: KONINKL PHILIPS ELECTRONICS NV

Effective date: 20150901

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20150901

Address after: Delaware

Patentee after: III Holdings 6 LLC

Address before: Holland Ian Deho Finn

Patentee before: NXP B.V.

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090729