JP2006108645A - Multilevel phase change memory, method of operating the same, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体メモリデバイスに関し、より詳細には、マルチレベルメモリ状態を有する半導体メモリデバイスに関する。 The present invention relates to semiconductor memory devices, and more particularly to semiconductor memory devices having multi-level memory states.
メモリは、広く一般的な電気デバイスに使用されている。多くは、DRAM、SRAM、又はフラッシュメモリである。電気デバイスのアップリケーション及びアーキテクチャは、そのメモリの使用法と必要な容量を決定する。FeRAM、MRAM、及び相変化(phase change)メモリのようなメモリ技術の開発は、進行中である。 Memory is widely used in common electrical devices. Many are DRAM, SRAM, or flash memory. The application and architecture of the electrical device determines its memory usage and required capacity. Development of memory technologies such as FeRAM, MRAM, and phase change memory is ongoing.
相変化半導体メモリは、材料の相変化によって引き起こされる抵抗の変化を介してデータを記憶する。相変化材料に関して、1960年代に、米国の会社ECD社のS.R.Ovshinsky氏は、カルコゲニドは、その結晶化(状態)とアモルファス化(状態)において、光学特性及び電気伝導性が明確に異なっていることを発見した。カルコゲニドは、高速可逆変換が可能であり、スイッチング/メモリ用途を有する。 Phase change semiconductor memory stores data via resistance changes caused by material phase changes. Regarding the phase change material, in the 1960s, S. R. Ovshinsky discovered that chalcogenide has distinctly different optical properties and electrical conductivity in its crystallization (state) and amorphization (state). Chalcogenides are capable of high-speed reversible conversion and have switching / memory applications.
相変化メモリは、カルコゲニドが、元素の周期律表のVIA族に属し、金属と非金属の間の半導体材料であるために、半導体メモリと呼ばれる。例えば、アモルファス化/結晶化速度の増加や結晶特性の向上のためのような実用における特定の目的のために、幾つかの元素を添加することが必要である。 Phase change memory is called semiconductor memory because chalcogenide belongs to group VIA of the periodic table of elements and is a semiconductor material between metal and nonmetal. For example, it is necessary to add some elements for specific purposes in practice, such as for increasing the amorphization / crystallization rate or improving the crystal properties.
相変化メモリは、大きくて速い記憶動作と長い記憶時間の要求を満たす。これらのメモリは、小さな大きさ、より多い記憶データ、及び高速動作速度の利点を有し、130℃下で10年以上データを記憶出来る。従って、相変化メモリは、大きな可能性を有し、高い書込み/読出し速度、高い一体性、長期間にわたる耐久性、低電力消費、及び放射線耐性を有する不揮発性メモリである。主な技術トレンドは、より高い記録密度とメモリセルの小型化を介する低電力消費に焦点を当てている。 Phase change memory meets the requirements of large and fast storage operation and long storage time. These memories have the advantages of small size, more storage data, and fast operating speed, and can store data for more than 10 years at 130 ° C. Thus, phase change memory is a non-volatile memory that has great potential and has high write / read speed, high integrity, long-term durability, low power consumption, and radiation resistance. The main technological trends focus on lower power consumption through higher recording density and memory cell miniaturization.
しかしながら、面積を減少することによるメモリ密度の増加に加え、マルチレベル/マルチ状態メモリが考えられている。このように、単一のメモリセルは、コンポーネントサイズを変更しない状態で2つ以上のメモリ状態を有する。 However, in addition to increasing memory density by reducing area, multi-level / multi-state memories are being considered. Thus, a single memory cell has two or more memory states without changing the component size.
関連技術では、Tyler Lowrey氏(Ovonyx社)は、公開された社内の技術書類でマルチ状態構造を提供している。単一の相変化層を有するメモリセルは、リセット電流を制御することによって異なる抵抗値を有するマルチレベルを得るために使用される。しかしながら、電流オフセットに起因して書込みエラーが発生するという小電流分離の問題が解決されなければならない。更に、加熱の影響で連続動作後にマルチ状態を制御することが困難である。 In the related art, Tyler Lowrey (Ovonyx) provides a multi-state structure in published in-house technical papers. Memory cells with a single phase change layer are used to obtain multi-levels with different resistance values by controlling the reset current. However, the small current isolation problem of writing errors due to current offset must be solved. Furthermore, it is difficult to control the multi-state after continuous operation due to the influence of heating.
米国特許第5534711号は、マルチレベル動作の安定性を改良するためのマルチレベル記憶デバイスを開示している。 US Pat. No. 5,534,711 discloses a multilevel storage device for improving the stability of multilevel operation.
米国特許第6507061号は、バリア層によって分離された二つの相変化層を有する相変化メモリを開示しており、このメモリは、プログラムされた大きさを減少でき且つ適切な熱シンクを提供出来る。これらの相変化層の一方は、データを記憶するために使用されないが、温度を維持するために使用される。 U.S. Pat. No. 6,507,061 discloses a phase change memory having two phase change layers separated by a barrier layer, which can be programmed to reduce size and provide a suitable heat sink. One of these phase change layers is not used to store data, but is used to maintain temperature.
また、米国特許第663591号は、プログラマブル金属化セルメモリ(Programmable Metallization Cell Memory:PMCm)のカテゴリに属する4レベルメモリセルを開示している。このセルは、固体電解質層と二つの電極から構成される。固体電解質層の導電性は、電極によって電界を供給することによって変化される。 U.S. Pat. No. 6,635,91 discloses a four-level memory cell that belongs to the category of Programmable Metallization Cell Memory (PMCm). This cell is composed of a solid electrolyte layer and two electrodes. The conductivity of the solid electrolyte layer is changed by supplying an electric field through the electrodes.
相変化メモリ、MRAM、及びFRAMは、メインメモリ技術トレンドであり、不揮発性、高速(DRAM及びSRAMの動作速度に近い)、大容量、高一体性、高環境耐性、長期間の記憶時間等の利点を有する。更に、動作電圧が、徐々に減少している。これらのメモリは、近い将来フラッシュメモリに置き換わるかもしれない。従って、新規相変化メモリ構造の差し迫った必要性がある。 Phase change memory, MRAM, and FRAM are main memory technology trends, such as non-volatile, high speed (close to the operating speed of DRAM and SRAM), large capacity, high integrity, high environmental resistance, long storage time, etc. Have advantages. Furthermore, the operating voltage is gradually decreasing. These memories may be replaced with flash memory in the near future. Accordingly, there is an urgent need for a new phase change memory structure.
従って、本発明は、関連技術の問題点を実質的に解決する、マルチレベル相変化メモリ、その製造方法、及びその動作方法に関する。 Accordingly, the present invention relates to a multi-level phase change memory, a method for manufacturing the same, and a method for operating the same that substantially solve the problems of the related art.
本発明の目的は、唯一つのメモリセルを介するマルチレベル相変化メモリ、その製造方法、及びその動作方法と提供することである。 It is an object of the present invention to provide a multi-level phase change memory through a single memory cell, a method for manufacturing the same, and a method for operating the same.
本発明の他の目的は、マルチレベル相変化メモリ、その製造方法、及びその動作方法を提供することであり、メモリセルは、高密度を有するメモリセルを得るために直列に形成された二つの独立した相変化ユニットによって構成される。これらの相変化ユニットの材料は、同じであっても異なっていてもよい。 Another object of the present invention is to provide a multi-level phase change memory, a method for manufacturing the same, and a method for operating the same. The memory cell includes two memory cells formed in series to obtain a memory cell having a high density. Consists of independent phase change units. The materials of these phase change units may be the same or different.
本発明の他の目的は、マルチレベル相変化メモリ、その製造方法、及びその動作方法と提供することであり、メモリセルは、高密度を有するメモリセルを得るために並列に形成された二つの独立した相変化ユニットによって構成される。これらの相変化ユニットの材料は、同じであっても異なっていてもよい。 Another object of the present invention is to provide a multi-level phase change memory, a method for manufacturing the same, and a method for operating the same. The memory cell includes two memory cells formed in parallel to obtain a memory cell having a high density. Consists of independent phase change units. The materials of these phase change units may be the same or different.
本発明の更なる特徴と利点は、以下の記述で述べられ、部分的にはその記述から明らかであり、本発明の実施によって学習される場合もある。本発明の目的と他の利点は、記述された明細書、その請求項及び添付の図面において説明されている構造によって実現且つ達成される。 Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention. The objectives and other advantages of the invention will be realized and attained by the structure described in the written description, the claims thereof and the appended drawings.
これら及び他の利点を達成するため本発明の目的に従って、相変化メモリは、第1の相変化層と第2の相変化層を含む。第1の相変化層は、電流―時間関係の第1の特性曲線を有し、結晶状態とアモルファス状態を含み、第2の相変化層は、電流−時間関係の第2の特性曲線を有し、結晶状態とアモルファス状態を含む。第1と第2の特性曲線は、互いに交叉して第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を形成する。第1の状態では、第1の相変化層と第2の相変化層が、結晶状態である一方、第2の状態では、第1の相変化層がアモルファス状態にあり、第2の相変化層が結晶状態にある。第3の状態では、第1の相変化層が結晶状態にあり、第2の相変化層がアモルファス状態にある一方、第4の状態では、第1の相変化層と第2の相変化層がアモルファス状態にある。 In accordance with the objectives of the present invention to achieve these and other advantages, a phase change memory includes a first phase change layer and a second phase change layer. The first phase change layer has a first characteristic curve with a current-time relationship and includes a crystalline state and an amorphous state, and the second phase change layer has a second characteristic curve with a current-time relationship. And includes a crystalline state and an amorphous state. The first and second characteristic curves intersect with each other to form a first state, a second state, a third state, and a fourth state. In the first state, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state, while in the second state, the first phase change layer is in an amorphous state and the second phase change layer The layer is in the crystalline state. In the third state, the first phase change layer is in a crystalline state and the second phase change layer is in an amorphous state, while in the fourth state, the first phase change layer and the second phase change layer Is in an amorphous state.
これら及び他の利点を達成するため本発明の目的に従って、ここで具体化され広く記載されているように、相変化メモリは、結晶状態とアモルファス状態を有する第1の相変化層と、結晶状態とアモルファス状態を有する第2の相変化層と、電気信号を供給して第1の相変化層と第2の相変化層の状態を変化するために第1の相変化層と第2の相変化層の一方の表面に夫々形成された第1のトップ電極と第2のトップ電極と、第1の相変化層と第2の相変化層の他方の表面に形成された少なくとも一つのボトム電極とを含む。 In accordance with the purpose of the present invention to achieve these and other advantages, as embodied and broadly described herein, a phase change memory includes a first phase change layer having a crystalline state and an amorphous state, and a crystalline state. A second phase change layer having an amorphous state and a first phase change layer and a second phase for supplying an electrical signal to change states of the first phase change layer and the second phase change layer A first top electrode and a second top electrode respectively formed on one surface of the change layer, and at least one bottom electrode formed on the other surface of the first phase change layer and the second phase change layer Including.
これら及び他の利点を達成するため本発明の目的に従って、相変化メモリは、第1の相変化層、第2の相変化層、第1の相変化層と第2の相変化層との間に形成された中間層と、第1の相変化層の他の側に形成された第1の電極と、第2の相変化層の他の側に形成された第2の電極とを含む。 In accordance with the objectives of the present invention to achieve these and other advantages, the phase change memory includes a first phase change layer, a second phase change layer, and between the first phase change layer and the second phase change layer. The intermediate layer formed on the first phase change layer, the first electrode formed on the other side of the first phase change layer, and the second electrode formed on the other side of the second phase change layer.
これら及び他の利点を達成するため本発明の目的に従って、相変化メモリの状態変換方法は、第1のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層を結晶化するステップと、第2のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化するステップとを含む。第1のパルスと第2のパルスは、電圧信号である。第3のパルスと第4のパルスは、電圧信号である。 In accordance with the objectives of the present invention to achieve these and other advantages, a phase change memory state conversion method includes applying a first pulse to crystallize a first phase change layer and a second phase change layer. And applying a second pulse to change the crystalline states of the first phase change layer and the second phase change layer. The first pulse and the second pulse are voltage signals. The third pulse and the fourth pulse are voltage signals.
これら及び他の利点を達成するため本発明の目的に従って、相変化メモリの状態変換方法は、パルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化するステップを備える。このパルスは、電圧信号である。 In order to achieve these and other advantages, in accordance with the objectives of the present invention, a method for phase change of a phase change memory includes applying a pulse to change the crystalline state of the first phase change layer and the second phase change layer. Prepare. This pulse is a voltage signal.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、唯一つのセルにおいてマルチレベルメモリ状態の利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantage of a multi-level memory state in only one cell.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、マルチレベルメモリ状態に対して読出し分離を定義する利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantage of defining read isolation for multilevel memory states.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、一つ又は二つの動作ステップを介してメモリ状態を転送する利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantage of transferring the memory state through one or two operational steps.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、一ビットの領域を減少する利点を有する。このように、メモリ密度が増加される。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantage of reducing the area of one bit. In this way, the memory density is increased.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、直接書込み及び消去動作の利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantages of direct write and erase operations.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、書込み及び消去動作の時間を短縮する利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, phase change memory has the advantage of reducing the time of write and erase operations.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、デバイスを製造するための複雑さを減少する利点を有する。メモリ処理のための追加マスクは必要としない。 In accordance with the objectives of the present invention, phase change memory has the advantage of reducing the complexity for manufacturing the device. No additional mask is required for memory processing.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、直列構成を使用し、単一の相変化層に対して同じ処理を採用出来る。 In accordance with the objectives of the present invention, the phase change memory uses a series configuration and can employ the same processing for a single phase change layer.
本発明の目的に従って、相変化メモリは、同じ領域下における唯一つのセルに2ビットを有する。メモリは、デバイスの密度を増加する利点を有する。 In accordance with the purpose of the present invention, the phase change memory has 2 bits in a single cell under the same region. Memory has the advantage of increasing device density.
すなわち、本願の第一発明は、相変化メモリであって、少なくとも結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第1の特性曲線を有する第1の相変化層と、少なくとも結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第2の特性曲線を有する第2の相変化層と、第1と第2の特性曲線は、互いに交差して第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を形成し、第1の状態において、第1の相変化層と第2の相変化層が、結晶状態にあり、第2の状態において、第1の相変化層がアモルファス状態にあり第2の相変化層が結晶状態にあり、第3の状態において、第1の相変化層が結晶状態にあり第2の相変化層がアモルファス状態にあり、第4の状態において、第1の相変化層と第2の相変化層がアモルファス状態にある、相変化メモリである。
また、本願の第2発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が同じである、第1発明に記載のメモリである。
また、本願の第3発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が異なる、第1発明に記載のメモリである。
また、本願の第4発明は、相変化メモリであって、結晶状態とアモルファス状態を有する第1の相変化層と、結晶状態とアモルファス状態を有する第2の相変化層と、電気信号を供給して第1の相変化層と第2の相変化層の状態を変化するために、第1の相変化層と第2の相変化層の内の一つ表面に形成された第1のトップ電極と第2のトップ電極と、第1の相変化層と第2の相変化層の内の他の一つの表面に形成された少なくとも一つのボトム電極と、を備える相変化メモリである。
また、本願の第5発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が同じである、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第6発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が異なる、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第7発明は、第1のトップ電極と第2のトップ電極の材料が同じである、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第8発明は、第1のトップ電極と第2のトップ電極の材料が異なる、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第9発明は、第1のトップ電極と第1の相変化層の接点面積は、第2のトップ電極と第2の相変化層の接点面積と同じである、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第10発明は、第1のトップ電極と第1の相変化層の接点面積は、第2のトップ電極と第2の相変化層の接点面積とは異なる、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第11発明は、ボトム電極は、第1の相変化層と第2の相変化層に接続された1個の電極よりなる、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第12発明は、夫々、第1の相変化層と第2の相変化層に接続された2個の電極よりなる、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第13発明は、二つのボトム電極の材料は、同じである、第12発明に記載のメモリである。
また、本願の第14発明は、二つのボトム電極の材料は、異なる、第12発明に記載のメモリである。
また、本願の第15発明は、第1のトップ電極と第1の相変化層との間に形成された機能層を更に備える、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第16発明は、機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第1の相変化層と第1のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第15発明に記載のメモリである。
また、本願の第17発明は、第2のトップ電極と第1の相変化層との間に形成された機能層を更に備える、第4発明に記載のメモリである。
また、本願の第18発明は、機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第2の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第1の相変化層と第2のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第17発明に記載のメモリである。
また、本願の第19発明は、相変化メモリを製造するための製造方法であって、中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、基板上にボトム電極を形成するステップと、ボトム電極上に相変化層を形成するステップと、相変化層の一部にイオンをインプラントして第1の相変化層と第2の相変化層とを形成するステップと、対応する第1の相変化層と第2の相変化層に第1のトップ電極と第2のトップ電極を形成するステップと、を備える製造方法である。
また、本願の第20発明は、ボトム電極と相変化層をエッチングするステップを更に備える、第19発明に記載の製造方法である。
また、本願の第21発明は、イオンインプラント用の元素は、IIIA族、IVA族、VA族、VIA族、及び希土類遷移金属よりなる群から選択された一つである、第19発明に記載の製造方法である。
また、本願の第22発明は、第1の相変化層と第2の相変化層をエッチングして第1の相変化層と第2の相変化層を分離するステップを更に備える第19発明に記載の製造方法である。
また、本願の第23発明は、機能層が、第1のトップ電極を形成する前に形成され、その機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第1の相変化層と第1のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第19発明に記載の製造方法である。
また、本願の第24発明は、機能層が、第2のトップ電極を形成する前に形成され、その機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第2の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第2の相変化層と第2のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第19発明に記載の製造方法である。
また、本願の第25発明は、相変化メモリを製造するための製造方法であって、中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、基板上にボトム電極を形成するステップと、ボトム電極上に第1の相変化層と第2の相変化層を形成するステップと、第1のトップ電極と第2のトップ電極を対応する第1の相変化層と第2の相変化層に形成するステップと、を備える製造方法である。
また、本願の第26発明は、機能層が、第1のトップ電極を形成する前に形成され、その機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第1の相変化層と第1のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第25発明に記載の製造方法である。
また、本願の第27発明は、機能層が、第2のトップ電極を形成する前に形成され、その機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第2の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第2の相変化層と第2のトップ電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第25発明に記載の製造方法である。
また、本願の第28発明は、第4発明に記載の相変化メモリの状態変換方法であって、第1のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層を結晶化するステップと、第2のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップと、を備える状態変換方法である。
また、本願の第29発明は、第4発明に記載の相変化メモリの状態変換方法であって、パルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化するステップを備える状態変換方法である。
また、本願の第30発明は、相変化メモリであって、第1の相変化層と、第2の相変化層と、第1の相変化層と第2の相変化層との間に形成された中間層と、第1の相変化層の他の側に形成された第1の電極と、第2の相変化層の他の側に形成された第2の電極と、を備える相変化メモリである。
また、本願の第31発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が同じである、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第32発明は、第1の相変化層と第2の相変化層の材料が異なる、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第33発明は、第1の電極と第2の電極の材料が同じである、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第34発明は、第1の電極と第2の電極の材料が異なる、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第35発明は、第1の電極と第1の相変化層の接点面積が、第2の電極と第2の相変化層の接点面積と同じである、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第36発明は、第1の電極と第1の相変化層の接点面積が、第2の電極と第2の相変化層の接点面積と異なっている、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第37発明は、第1の電極と第1の相変化層との間に形成された第1の機能層を更に備える、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第38発明は、第1の機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成促進層、及び第1の相変化層と第1の電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第37発明に記載のメモリである。
また、本願の第39発明は、第2の電極と第2の相変化層との間に形成された第2の機能層を更に備える、第30発明に記載のメモリである。
また、本願の第40発明は、第2の機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第2の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第2の相変化層と第2の電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第39発明に記載のメモリである。
また、本願の第41発明は、相変化メモリを製造するための製造方法であって、中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、基板上に第1の電極を形成するステップと、第1の相変化層を形成し、中間層と第2の相変化層を第1の電極に逐次形成するステップと、第2の相変化層上に第2の電極を形成するステップと、を備える製造方法である。
また、本願の第42発明は、第1の電極上に第1の機能層を形成するステップを更に備える第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第43発明は、第2の相変化層上に第2の機能層を形成するステップを更に備える第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第44発明は、第1の機能層は、第1の電極が形成される前に形成され、第1の機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第1の相変化層と第1の電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第45発明は、第2の機能層は、第2の電極が形成される前に形成され、第2の機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第2の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、及び第2の相変化層と第2の電極との間での拡散を防止するための拡散停止層の内の一つ又はそれらの任意の組合せである、第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第46発明は、第1の電極を形成する前に酸化物層を形成するステップを更に備える第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第47発明は、第2の電極を形成する前に酸化物層を形成するステップを更に備える第41発明に記載の製造方法である。
また、本願の第48発明は、少なくとも第1の相変化層と第2の相変化層を備える相変化メモリの状態変換方法であって、これらの層の各々は、4つのメモリ状態が形成されるように少なくとも結晶状態とアモルファス状態を有し、前記方法が、電圧信号である第1のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層を結晶化するステップと、電圧信号である第2のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップと、を備える状態変換方法である。
また、本願の第49発明は、少なくとも第1の相変化層と第2の相変化層を備える相変化メモリの状態変換方法であって、これらの層の各々は、4つのメモリ状態が形成されるように少なくとも結晶状態とアモルファス状態を有し、前記方法が、電圧信号であるパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップを備える状態変換方法である。
That is, the first invention of the present application is a phase change memory, which includes a first phase change layer having a first characteristic curve of current-time relationship including at least a crystalline state and an amorphous state, and at least a crystalline state and an amorphous state. A second phase change layer having a second characteristic curve having a current-time relationship, including a state, and the first and second characteristic curves intersecting each other to form a first state, a second state, a third state And the fourth state. In the first state, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state, and in the second state, the first phase change layer Is in an amorphous state, the second phase change layer is in a crystalline state, and in the third state, the first phase change layer is in a crystalline state, the second phase change layer is in an amorphous state, and the fourth state , The first phase change layer and the second phase change layer are in an amorphous state There is a phase change memory.
A second invention of the present application is the memory according to the first invention, wherein the materials of the first phase change layer and the second phase change layer are the same.
A third invention of the present application is the memory according to the first invention, wherein materials of the first phase change layer and the second phase change layer are different.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a phase change memory, wherein a first phase change layer having a crystalline state and an amorphous state, a second phase change layer having a crystalline state and an amorphous state, and an electric signal are supplied. In order to change the states of the first phase change layer and the second phase change layer, the first top formed on one surface of the first phase change layer and the second phase change layer A phase change memory comprising an electrode, a second top electrode, and at least one bottom electrode formed on another surface of the first phase change layer and the second phase change layer.
A fifth invention of the present application is the memory according to the fourth invention, wherein the materials of the first phase change layer and the second phase change layer are the same.
The sixth invention of the present application is the memory according to the fourth invention, wherein the materials of the first phase change layer and the second phase change layer are different.
A seventh invention of the present application is the memory according to the fourth invention, wherein the materials of the first top electrode and the second top electrode are the same.
An eighth invention of the present application is the memory according to the fourth invention, wherein the materials of the first top electrode and the second top electrode are different.
The ninth aspect of the present invention is the same as the fourth aspect, wherein the contact area between the first top electrode and the first phase change layer is the same as the contact area between the second top electrode and the second phase change layer. It is a memory of description.
The tenth invention of the present application is the fourth invention, wherein a contact area between the first top electrode and the first phase change layer is different from a contact area between the second top electrode and the second phase change layer. Memory.
An eleventh invention of the present application is the memory according to the fourth invention, wherein the bottom electrode is composed of one electrode connected to the first phase change layer and the second phase change layer.
A twelfth aspect of the present invention is the memory according to the fourth aspect, comprising two electrodes connected to the first phase change layer and the second phase change layer, respectively.
A thirteenth aspect of the present invention is the memory according to the twelfth aspect, wherein the materials of the two bottom electrodes are the same.
A fourteenth aspect of the present invention is the memory according to the twelfth aspect, wherein the materials of the two bottom electrodes are different.
A fifteenth aspect of the present invention is the memory according to the fourth aspect, further comprising a functional layer formed between the first top electrode and the first phase change layer.
According to a sixteenth aspect of the present invention, the functional layer includes a heating layer for improving heating efficiency, a nucleation acceleration layer for accelerating the crystallization speed of the first phase change layer, and the first phase change layer. The memory according to the fifteenth aspect of the present invention, which is one of the diffusion stop layers for preventing diffusion between the first top electrode and the first top electrode, or any combination thereof.
The seventeenth invention of the present application is the memory according to the fourth invention, further comprising a functional layer formed between the second top electrode and the first phase change layer.
According to an eighteenth aspect of the present invention, the functional layer includes a heating layer for improving heating efficiency, a nucleation acceleration layer for accelerating the crystallization speed of the second phase change layer, and the first phase change layer. The memory according to the seventeenth aspect of the present invention, which is one or any combination of diffusion stop layers for preventing diffusion between the first top electrode and the second top electrode.
According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method for manufacturing a phase change memory, the step of providing a substrate having a metal contact formed therein, the step of forming a bottom electrode on the substrate, Forming a phase change layer on the electrode; implanting ions in a portion of the phase change layer to form a first phase change layer and a second phase change layer; and a corresponding first phase Forming a first top electrode and a second top electrode on the change layer and the second phase change layer.
The twentieth invention of the present application is the manufacturing method according to the nineteenth invention, further comprising a step of etching the bottom electrode and the phase change layer.
Further, the twenty-first invention of the present application is the element according to the nineteenth invention, wherein the element for ion implantation is one selected from the group consisting of Group IIIA, Group IVA, Group VA, Group VIA, and rare earth transition metal. It is a manufacturing method.
The twenty-second invention of the present application is based on the nineteenth invention, further comprising a step of etching the first phase change layer and the second phase change layer to separate the first phase change layer and the second phase change layer. It is a manufacturing method of description.
According to a twenty-third aspect of the present invention, the functional layer is formed before the first top electrode is formed, and the functional layer is a crystallization of the heating layer for improving the heating efficiency and the first phase change layer. A nucleation acceleration layer for accelerating the velocity, and one or any combination thereof of a diffusion stop layer for preventing diffusion between the first phase change layer and the first top electrode A manufacturing method according to the nineteenth invention.
In the twenty-fourth invention of the present application, the functional layer is formed before the second top electrode is formed, and the functional layer is a crystallization of a heating layer for improving heating efficiency and a second phase change layer. A nucleation acceleration layer for accelerating the velocity, and one or any combination thereof of a diffusion stop layer for preventing diffusion between the second phase change layer and the second top electrode A manufacturing method according to the nineteenth invention.
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method for manufacturing a phase change memory, comprising: providing a substrate having a metal contact formed therein; forming a bottom electrode on the substrate; Forming a first phase change layer and a second phase change layer on the electrode, and forming the first top electrode and the second top electrode into the corresponding first phase change layer and second phase change layer; And a forming step.
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, the functional layer is formed before the first top electrode is formed, and the functional layer is a crystallization of the heating layer for improving the heating efficiency and the first phase change layer. A nucleation acceleration layer for accelerating the velocity, and one or any combination thereof of a diffusion stop layer for preventing diffusion between the first phase change layer and the first top electrode A manufacturing method according to a twenty-fifth aspect of the present invention.
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, the functional layer is formed before the second top electrode is formed, and the functional layer is a crystallization of a heating layer for improving heating efficiency and a second phase change layer. A nucleation acceleration layer for accelerating the velocity, and one or any combination thereof of a diffusion stop layer for preventing diffusion between the second phase change layer and the second top electrode A manufacturing method according to a twenty-fifth aspect of the present invention.
According to a twenty-eighth aspect of the present invention, there is provided the phase change method for a phase change memory according to the fourth aspect, wherein the first phase change layer and the second phase change layer are crystallized by applying the first pulse. And a step of changing a crystal state of the first phase change layer and the second phase change layer by applying a second pulse.
The 29th invention of the present application is the phase change method of the phase change memory according to the 4th invention, wherein a pulse is applied to change the crystal states of the first phase change layer and the second phase change layer. A state conversion method including steps.
The 30th invention of the present application is a phase change memory, which is formed between a first phase change layer, a second phase change layer, and a first phase change layer and a second phase change layer. A phase change comprising: an intermediate layer formed; a first electrode formed on the other side of the first phase change layer; and a second electrode formed on the other side of the second phase change layer It is memory.
A thirty-first aspect of the present invention is the memory according to the thirtieth aspect, wherein the first phase change layer and the second phase change layer are made of the same material.
A thirty-second invention of the present application is the memory according to the thirtieth invention, wherein the materials of the first phase change layer and the second phase change layer are different.
The 33rd invention of the present application is the memory according to the 30th invention, wherein the materials of the first electrode and the second electrode are the same.
A thirty-fourth aspect of the present invention is the memory according to the thirtieth aspect, wherein the materials of the first electrode and the second electrode are different.
The 35th invention of the present application is the invention as described in the 30th invention, wherein the contact area between the first electrode and the first phase change layer is the same as the contact area between the second electrode and the second phase change layer. It is memory.
The thirty-sixth aspect of the present invention is according to the thirty-third aspect, wherein a contact area between the first electrode and the first phase change layer is different from a contact area between the second electrode and the second phase change layer. It is memory.
A thirty-seventh aspect of the present invention is the memory according to the thirtieth aspect, further comprising a first functional layer formed between the first electrode and the first phase change layer.
According to a thirty-eighth aspect of the present invention, the first functional layer includes a heating layer for improving heating efficiency, a nucleation promoting layer for accelerating the crystallization speed of the first phase change layer, and the first functional layer. The memory according to the thirty-seventh aspect, which is one or any combination of diffusion stop layers for preventing diffusion between the phase change layer and the first electrode.
The thirty-ninth aspect of the present invention is the memory according to the thirtieth aspect, further comprising a second functional layer formed between the second electrode and the second phase change layer.
In the 40th invention of the present application, the second functional layer includes a heating layer for improving heating efficiency, a nucleation acceleration layer for accelerating the crystallization speed of the second phase change layer, and a second layer. The memory according to the thirty-ninth aspect, wherein the memory is one or any combination of diffusion stop layers for preventing diffusion between the phase change layer and the second electrode.
According to a forty-first aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method for manufacturing a phase change memory, the step of providing a substrate having a metal contact formed therein, and the step of forming a first electrode on the substrate. Forming a first phase change layer, sequentially forming an intermediate layer and a second phase change layer on the first electrode, and forming a second electrode on the second phase change layer; It is a manufacturing method provided with.
The forty-second invention of the present application is the manufacturing method according to the forty-first invention, further comprising the step of forming a first functional layer on the first electrode.
The 43rd invention of the present application is the manufacturing method according to the 41st invention, further comprising a step of forming a second functional layer on the second phase change layer.
In the 44th invention of the present application, the first functional layer is formed before the first electrode is formed, and the first functional layer is a heating layer for improving heating efficiency, a first phase. One or more of a nucleation acceleration layer for accelerating the crystallization rate of the change layer and a diffusion stop layer for preventing diffusion between the first phase change layer and the first electrode It is a manufacturing method as described in the 41st invention which is arbitrary combinations.
According to a 45th aspect of the present invention, the second functional layer is formed before the second electrode is formed, and the second functional layer is a heating layer for improving heating efficiency, a second phase. One or more of a nucleation acceleration layer for accelerating the crystallization rate of the change layer and a diffusion stop layer for preventing diffusion between the second phase change layer and the second electrode It is a manufacturing method as described in the 41st invention which is arbitrary combinations.
The 46th invention of the present application is the manufacturing method according to the 41st invention, further comprising a step of forming an oxide layer before forming the first electrode.
The 47th invention of the present application is the manufacturing method according to the 41st invention, further comprising a step of forming an oxide layer before forming the second electrode.
The 48th invention of the present application is a phase change memory state conversion method including at least a first phase change layer and a second phase change layer, and each of these layers has four memory states formed therein. At least having a crystalline state and an amorphous state, wherein the method crystallizes the first phase change layer and the second phase change layer by applying a first pulse which is a voltage signal; Applying a second pulse as a signal to change the crystal states of the first phase change layer and the second phase change layer.
The 49th invention of the present application is a phase change memory state conversion method including at least a first phase change layer and a second phase change layer, and each of these layers has four memory states formed therein. State conversion comprising at least a crystalline state and an amorphous state, the method comprising applying a pulse as a voltage signal to change the crystalline state of the first phase change layer and the second phase change layer Is the method.
本発明の用途の更なる範囲は、以下に与えられる詳細な記述から明らかとなる。しかしながら、本発明の精神と範囲内における種々の変化や変更は、当業者にとってこの詳細な記述から明瞭であるので、本発明の実施の形態を示す、詳細な記述と特定の例は、例としてのみ与えられ、請求される発明の更なる説明を提供することを意図している。
本発明の更なる理解を提供し、本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施の形態を例示し、明細書と共に本発明の原理を説明する。
Further scope of application of the present invention will become apparent from the detailed description given below. However, since various changes and modifications within the spirit and scope of the present invention will be apparent to those skilled in the art from this detailed description, the detailed description and specific examples illustrating the embodiments of the present invention are provided as examples. It is given solely and is intended to provide a further description of the claimed invention.
The accompanying drawings, which provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, explain the principles of the invention.
[関連技術の記載]
本願は、共に2004年10月8日に出願された台湾特許出願第93130600号及び第93130598号の利益を享受し、以下で十分に述べられる全ての目的のためにここに組み込まれる。
[Description of related technology]
This application enjoys the benefit of Taiwan Patent Applications 93130600 and 93130598, both filed on October 8, 2004, and is incorporated herein for all purposes fully described below.
本発明の実施の形態に対する参照が詳細に行われ、実施の形態の例は、添付の図面に描かれている。“one embodiment(一実施の形態)”や“an embodiment(実施の形態)”についての本明細書中での言及は、その実施の形態に関連して記載される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも一実施の形態に含まれることを意味する。この明細書中の種々の箇所でのフレーズ“in one embodiment(一実施の形態において)”が表れるのは、必ずしも全て同じ実施の形態について言及しているわけではない。 Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. References herein to "one embodiment" and "an embodiment" are used to refer to a particular feature, structure, or characteristic described in connection with that embodiment. Is included in at least one embodiment of the present invention. The appearance of the phrase “in one emblem” (in one embodiment) in various places in this specification is not necessarily all referring to the same embodiment.
本発明の相変化メモリの構造を示す図1を参照する。この実施の形態において、相変化メモリは、第1の相変化層10、第2の相変化層20、ボトム電極30、第1のトップ電極41、及び第2のトップ電極42を含む。第1の相変化層10と第2の相変化層20は、半導体プロセスによってボトム電極30上に形成される。第1のトップ電極41は、半導体プロセスによって第1の相変化層10上に形成される。第2のトップ電極42は、半導体プロセスによって第2の相変化層20上に形成される。
Reference is made to FIG. 1 showing the structure of the phase change memory of the present invention. In this embodiment, the phase change memory includes a first
他の実施の形態では、保護層50は、第1の相変化層10、第2の相変化層20、ボトム電極30、第1のトップ電極41、及び第2のトップ電極42を被覆し保護するために半導体プロセスによって誘電材料で形成される。他の実施の形態では、ボトム電極30は、基板60上に形成され、この基板には、動作に必要なトランジスタ(図示せず)へ接続するために形成される。この基板60は、COMSやバイポーラトランジスタのための先のプロセスで形成される。他の実施の形態では、金属ライン70は、保護層50上に形成され、第1の相変化層10と第2の相変化層20が加熱されて電気信号を介して状態を変化するように電圧又は電流信号を供給するために第1のトップ電極41と第2のトップ電極42と接触し、それによって、本発明に従って相変化メモリの動作を制御する。
In another embodiment, the
本発明の原理に従って、二つの相変化層が、単一のメモリセルを形成するために、使用されて並列に接続される。各相変化層は、結晶状態とアモルファス状態を有し、これらの状態は、加熱によって変化する。第1の相変化層10は、結晶状態とアモルファス状態を有し、一方、第2の相変化層20は、結晶状態とアモルファス状態を有する。このように、二つの相変化層が並列に接続されると、4つの状態が形成される。これらの4つの状態は、以降、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態と呼ばれる。4つの状態に対する条件は、以下に記述される。
In accordance with the principles of the present invention, two phase change layers are used and connected in parallel to form a single memory cell. Each phase change layer has a crystalline state and an amorphous state, and these states change by heating. First
第1の相変化層10と第2の相変化層20は、相変化のために互いに異なる材料であり、異なる特性を有し、抵抗差を有することが好ましい。第1の相変化層10と第2の相変化層20の結晶化とアモルファス化速度は、異なっていることが好ましい。例えば、これらの層の一方は、低抵抗、高結晶化温度、及び速い結晶化速度の特性を有する材料を使用でき、他方の層は、高抵抗、低結晶化温度、及びよりゆっくりとした結晶化速度の特性を有する材料を使用出来る。一実施の形態では、第1の相変化層10と第2の相変化層20の材料は、異なっている。他の実施の形態では、これら二つの層は、同じ相変化材料を使用出来る。4つのメモリ状態の技術的効果は、最適化構造設計を介して二つの単一相変化セルを並列に形成することによって、達成され得る。
It is preferable that the first
例えば、第1の相変化層10は、ドープされた共晶SbTe、AgInSbTe又はGeInSbTeを使用出来る。第2の相変化層20は、Ge2Sb2Te5のようなGeSbTe化合物を使用出来る。前述の材料は、例示のためだけに過ぎず、本発明の組成を制限する意図はない。異なる抵抗変化及び結晶化/アモルファス化速度を有する二つの相変化層は、相変化層の組成を変更し、相変化層の厚みを調節し、トップ電極タイプと接点面積を変更し、或いは相変更層とトップ電極間に機能層を形成することによって、得られる。
For example, the first
ボトム電極30は、通電するために第1の相変化層10と第2の相変化層20を接続するのみならずヒートシンクを助ける。安定した化学特性(相変化層と反応しない)と高熱伝導性を有する材料、例えば、TiNが使用出来る。
The
第1のトップ電極41と第2のトップ電極42の材料は、ボトム電極30の材料と同じでもよい。一実施の形態において、製造プロセスを単純化するために、第1のトップ電極41と第2のトップ電極42の材料は、ボトム電極30の材料と同じでもよい。他の実施の形態において、第1のトップ電極41と第2のトップ電極42のサイズは、同じでもよい。更に他の実施の形態では、第1のトップ電極41と第2のトップ電極42のサイズは、異なっていてもよい。電極のサイズは、加熱効率を制御するように調整される。
The material of the first
本発明の原理に従って、一実施の形態において、機能層80は、随意的に、第1のトップ電極41と第1の相変化層10との間、或いは第2のトップ電極42と第2の相変化層20との間に形成される。図2に示されているように、機能層80は、一つの層又は両層として配置されても良い。一実施の形態では、機能層80は、加熱効率を向上するための加熱層であってもよい。他の実施の形態では、機能層80は、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層であってもよい。更に他の実施の形態では、機能層80は、第1の相変化層と第1のトップ電極との間の拡散を防止するための拡散停止層であってもよい。機能層80の材料は、耐熱金属、伝導性金属炭化物、合金炭化物、金属窒化物、合金窒化物、金属炭窒化物、又は合金炭窒化物を使用出来る。機能層80は、材料の特性に従って、上記機能の一つ、二つ、或いは全てを備えても良い。
In accordance with the principles of the present invention, in one embodiment, the
一実施の形態において、提供された相変化メモリは、例えば、MOSFETやBJTのようなトランジスタを介して書き込まれる又は読み出されるセルを選択する。トランジスタは、金属接点61を介してボトム電極30に接続している。第1の相変化層10と第2の相変化層20の相変化のための十分な熱は、ヒータに、或いは第1のトップ電極61と第2のトップ電極62に電圧を印加することによって、発生される。次に、信号がトップ電極とボトム電極を介して受信端及びセンス増幅器に送られる。本発明の原理に従って、マルチレベル相変化メモリの動作は、印加電圧と印加時間によって制御される。
In one embodiment, the provided phase change memory selects a cell to be written or read through a transistor such as a MOSFET or BJT. The transistor is connected to the
本発明に従う相変化メモリの製造プロセスを示す図3A乃至3Iを参照する。この実施の形態において、相変化層は、同じ材料を使用する。相変化層の一方の組成は、イオンインプラントによって変換される。 Reference is made to FIGS. 3A to 3I which illustrate the fabrication process of a phase change memory according to the present invention. In this embodiment, the phase change layer uses the same material. One composition of the phase change layer is transformed by the ion implant.
中に金属接点101が形成された基板100は、CMOS又はバイポーラのための前製造プロセスに提供される。ボトム電極102が、基板100上に形成される。次に、図3A乃至3Bに示されるように、相変化層103が蒸着され且つボトム電極102と相変化層103がエッチングされる。例えば、相変化層103は、Teの16at.%から37at.%組成を有する共晶SbTeを使用出来る。
The
次に、相変化層103の一部は、化学組成を変化するためにインプラントする。インプラントされた元素は、IIIA族、IVA族、VA族、VIA族、及び希土類遷移金属を含む。インプラント後、図3Eに示されるように、第1の相変化層103Aと第2の相変化層103Bが形成され、両者は、互いに接続される。
Next, a portion of the
図3Fに示されるように、相変化層103(互いに接続される第1の相変化層103Aと第2の相変化層103B)は、第1の相変化層103Aと第2の相変化層103Bを分離するためにエッチングする。
As shown in FIG. 3F, the phase change layer 103 (the first
次に、誘電体層104が、保護のために蒸着される。図3G乃至図3Hに示されているように、第1のトップ電極105と第2のトップ電極106は、マスキングプロセスとエッチングプロセスを介して蒸着される。誘電体層104の表面は、研磨され、次に、図3Iに示されているように、金属ライン107が蒸着される。一実施の形態において、第1のトップ電極105と第2のトップ電極106のサイズは同じである。他の実施の形態において、第1のトップ電極105と第2のトップ電極106のサイズは異なっている。
Next, a
他の実施の形態において、機能層(図2において機能層80と呼ばれた)は、第1のトップ電極105と第1の相変化層103A間に形成されることが出来る。この機能層は、加熱効率を向上するための加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、第1の相変化層と第1のトップ電極間の拡散を防止するための拡散停止層、或いはこれらの層の任意の組合せであってもよい。随意的に、この機能層は、第2のトップ電極106と第2の相変化層103B間に形成される。一層又は二層の機能層が採用されてもよいことに留意すべきである。
In other embodiments, a functional layer (referred to as
本発明に従う相変化メモリの製造プロセスを示す図4A乃至4Gを参照する。この実施の形態において、夫々の相変化層は、互いに異なる材料を使用している。 Reference is made to FIGS. 4A to 4G illustrating the manufacturing process of a phase change memory according to the present invention. In this embodiment, each phase change layer uses different materials.
中に金属接点201が形成された基板200は、CMOS又はバイポーラのための前製造プロセスに提供される。ボトム電極202は、基板200上に形成される。図4A乃至図4Dに示されるように、第1の相変化層203と第2の相変化層204が、蒸着される。これらの相変化層の材料は、共晶SbTe又はGeSbTe化合物を使用出来る。一実施の形態では、第1の相変化層203と第2の相変化層204の厚みは同じであってもよい。他の実施の形態では、第1の相変化層203と第2の相変化層204の厚みは、異なっていてもよい。
The
次に、誘電体層205が保護のために蒸着される。図4E乃至図4Fに示されているように、第1のトップ電極206と第2のトップ電極207は、マスキングプロセス及びエッチングプロセスを介して蒸着される。誘電体層205の表面が研磨され、次に、図4Gに示されるように、金属ライン208が蒸着される。一実施の形態では、第1のトップ電極206と第2のトップ電極207のサイズは、同じである。他の実施の形態では、第1のトップ電極206と第2のトップ電極207のサイズは、異なっている。
Next, a
他の実施の形態では、機能層(図2において機能層80と呼ばれる)は、第1のトップ電極206と第1の相変化層203間に形成されることが出来る。この機能層は、加熱層、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層、第1の相変化層と第1のトップ電極間の拡散を防止するための拡散停止層、或いはこれらの層の任意の組合せであってもよい。随意的に、この機能層は、第2のトップ電極207と第2の相変化層204間に形成される。一つ又は二つの機能層が採用されてもよいことに留意すべきである。
In other embodiments, a functional layer (referred to as
本発明に従う相変化メモリの動作が以下のように示される。図5Aないし図5Dを参照する。 The operation of the phase change memory according to the present invention is shown as follows. Please refer to FIG. 5A to FIG. 5D.
本発明に従う相変化層は、動作中、電圧駆動モードを使用する。第1の相変化層11と第2の相変化層12は、異なる電圧を第1のトップ電極41と第2のトップ電極42上に印加することによって加熱される。次に、材料特性のために、第1の相変化層11と第2の相変化層12は、0、1、又は2アモルファスボリュームを発生する。本発明において、2アモルファスボリュームは、第4の状態と呼ばれ、1アモルファスボリュームは、第2及び第3の状態と呼ばれ、0アモルファスボリュームは、第1の状態と呼ばれる。全状態の概略図が図5A乃至図5Dに示される。アモルファスボリュームを有する相変化層は、最も高い抵抗を有する。従って、第4の状態の並列抵抗が、最も高く、第3の状態の抵抗が2番目、第2の状態の抵抗が3番目に高く、第1の状態の抵抗は、最も低い。4つの抵抗レベルは、4つのメモリ状態に対応しており、4つのメモリ状態を達成する。
The phase change layer according to the present invention uses a voltage driven mode during operation. The first phase change layer 11 and the second phase change layer 12 are heated by applying different voltages on the first
本発明の原理に従って、第1の相変化層11と第2の相変化層12の材料の物理パラメータは、表Iに示される。この表では、第1の材料は、第1の相変化層11に用いられ、第2の材料は第2の相変化層12に、或いは、その逆で用いられる。 In accordance with the principles of the present invention, the physical parameters of the materials of the first phase change layer 11 and the second phase change layer 12 are shown in Table I. In this table, the first material is used for the first phase change layer 11 and the second material is used for the second phase change layer 12 or vice versa.
以下でリストアップされる材料は、例示的、説明的なものであり、本発明の相変化メモリの材料を制限する意図は無い。従って、当業者は、適切な材料選択を介して4つのメモリ状態を有する相変化メモリを得ることが出来る。 The materials listed below are exemplary and illustrative and are not intended to limit the materials of the phase change memory of the present invention. Thus, those skilled in the art can obtain a phase change memory having four memory states through appropriate material selection.
第1の材料と第2の材料のアモルファスボリュームは、同じであることが想定される。厚みと結晶化面積の比率は、1:9である。加熱電極のサイズは、同じである。各状態に対する全抵抗は、以下のように推定される。
<第1の状態>
第1の相変化層と第2の相変化層が結晶化する。
1/R1=1/[(5×10-3)×10]+1/[(1×10-2)×10]〜30,R1=0.03
<第2の状態>
第1の相変化層が結晶化し、第2の相変化層がアモルファスになる。
1/R2=1/[(5×10-3)×10]+1/[100×1+(1×10-2)×9]〜20,R2=0.05
<第3の状態>
第1の相変化層がアモルファスになり、第2の相変化層が結晶化する。
1/R3=1/[50×1+(5×10-3)×9]+1/[(1×10-2)×10]〜10,R3=0.1
<第4の状態>
第1の相変化層と第2の相変化層がアモルファスになる。
1/R4=1/[50×1+(5×10-3)×9]+1/[100×1+(1×10-2)×9]〜0.03,R4=33.3
It is assumed that the amorphous volume of the first material and the second material are the same. The ratio of thickness to crystallization area is 1: 9. The size of the heating electrode is the same. The total resistance for each state is estimated as follows.
<First state>
The first phase change layer and the second phase change layer are crystallized.
1 / R1 = 1 / [(5 × 10 −3 ) × 10] +1 / [(1 × 10 −2 ) × 10] to 30, R1 = 0.03
<Second state>
The first phase change layer crystallizes and the second phase change layer becomes amorphous.
1 / R2 = 1 / [(5 × 10 −3 ) × 10] + 1 / [100 × 1 + (1 × 10 −2 ) × 9] to 20, R2 = 0.05
<Third state>
The first phase change layer becomes amorphous and the second phase change layer crystallizes.
1 / R3 = 1 / [50 × 1 + (5 × 10 −3 ) × 9] +1 / [(1 × 10 −2 ) × 10] -10, R3 = 0.1
<Fourth state>
The first phase change layer and the second phase change layer become amorphous.
1 / R4 = 1 / [50 × 1 + (5 × 10 −3 ) × 9] + 1 / [100 × 1 + (1 × 10 −2 ) × 9] to 0.03, R4 = 33.3
上記推定から、全抵抗は、アモルファス化された領域の抵抗によって決定される。電圧Vが印加された時の全電流は、夫々、I4=0.03V、I3=10V、I2=20V、及びI1=30Vである。従って、メモリ状態は、メモリの電流を読み出すことによって決定される。 From the above estimation, the total resistance is determined by the resistance of the amorphized region. The total current when voltage V is applied is I4 = 0.03V, I3 = 10V, I2 = 20V, and I1 = 30V, respectively. Thus, the memory state is determined by reading the memory current.
上でリストアップされた想定条件の特性曲線の図6A乃至図6Dを参照する。図面中の領域I、II、III及びIVは、適切な材料を選択すること又は構造体のサイズを調節することによって得られる。 Reference is made to FIGS. 6A-6D of the assumed characteristic curves listed above. Regions I, II, III and IV in the drawing can be obtained by selecting an appropriate material or adjusting the size of the structure.
単一の相変化セルの電圧パルステストは、第1の材料と第2の材料に対して行われる。アモルファス化と結晶化の条件は、電圧(V)と時間(t)を変調(変化)することによって得られる。結晶化されたセルは、アモルファス化テストに使用されるが、書き込まれたセルは結晶化テストに使用される。これらのテスト結果は、アモルファス化領域、結晶化領域、及びアブレーション領域を有するV−t図に示される。各相変化材料のアモルファス化領域と結晶化領域は、メモリセルの構造パラメータを調整することによって全体的にオーバーラップしないように調整される。従って、異なる相変化材料に従って複数の対応する関係がある。例えば、結晶化温度が高くなると、結晶化領域のボトムエッジが高くなり、融点が高くなると、アモルファス化領域のボトムエッジが高くなり、結晶化速度が速くなると、結晶化領域とアモルファス化領域のフロントエッジが速くなる。 A voltage pulse test of a single phase change cell is performed on the first material and the second material. Amorphization and crystallization conditions are obtained by modulating (changing) voltage (V) and time (t). The crystallized cell is used for the amorphization test, while the written cell is used for the crystallization test. These test results are shown in a Vt diagram having an amorphized region, a crystallized region, and an ablation region. The amorphized region and the crystallized region of each phase change material are adjusted so as not to overlap entirely by adjusting the structural parameters of the memory cell. Thus, there are a plurality of corresponding relationships according to different phase change materials. For example, the higher the crystallization temperature, the higher the bottom edge of the crystallization region, and the higher the melting point, the higher the bottom edge of the amorphization region. Edge becomes faster.
二つのメモリが並列に接続され且つ電圧パルス(V、t)がオーバーラップアモルファス化領域(エリアIV)に入ると、各相変化層は、アモルファスボリュームを有する。電圧パルス(V、t)が、第1の材料のアモルファス化領域に入り、第2の材料のアモルファス化領域とオーバーラップしない場合(エリアIII)、第1の相変化層は、アモルファスボリュームを有するが、第2の相変化層は働かない。電圧パルス(V、t)が、第2の材料のアモルファス化領域に入り、第1の材料のアモルファス化領域とオーバーラップしない場合(エリアII)、第2の相変化層のみがアモルファスボリュームを発生するが、第1の相変化層は、溶融して、滑らかにクールダウンし、次に、結晶化する。電圧パルス(V、t)が、オーバーラップした結晶化領域(エリアI)に入ると、二つの相変化層は、それらがある状態に拘わらす、結晶化する。 When the two memories are connected in parallel and the voltage pulse (V, t) enters the overlapping amorphized region (area IV), each phase change layer has an amorphous volume. When the voltage pulse (V, t) enters the amorphized region of the first material and does not overlap with the amorphized region of the second material (area III), the first phase change layer has an amorphous volume. However, the second phase change layer does not work. When the voltage pulse (V, t) enters the amorphized region of the second material and does not overlap with the amorphized region of the first material (area II), only the second phase change layer generates an amorphous volume. However, the first phase change layer melts and cools down smoothly, and then crystallizes. When the voltage pulse (V, t) enters the overlapping crystallization region (area I), the two phase change layers crystallize, regardless of their state.
異なる第1の材料と第2の材料が、構造パラメータを適切に調節することによってテストのために選択され、得られた結果は、図6A乃至図6Dに示される。これらの図に示される結果から、二つの相変化層によって形成される4つのメモリ状態が得られる。 Different first and second materials are selected for testing by appropriately adjusting the structural parameters, and the results obtained are shown in FIGS. 6A-6D. From the results shown in these figures, four memory states formed by two phase change layers are obtained.
本発明の原理に従って、異なるメモリ状態への移行時の相変化メモリの動作に対して二つの方法が、採用され得る。 In accordance with the principles of the present invention, two methods can be employed for operation of the phase change memory when transitioning to different memory states.
これらの二つの方法は、以降、ゼロモード及びダイレクトオーバーライトモードと呼ばれる。メモリ状態(第2、第3、及び第4の状態)は、ゼロモードの動作のために、ゼロ、即ち、第1の状態(第1の相変化層と第2の相変化層が結晶化する)に戻され、他のメモリ状態へ変換される。この動作は、以下のように行われる。 These two methods are hereinafter referred to as zero mode and direct overwrite mode. The memory state (second, third, and fourth states) is zero for zero mode operation, ie, the first state (the first phase change layer and the second phase change layer are crystallized). Is converted to another memory state. This operation is performed as follows.
2ステージ動作がゼロモード動作で使用される。状態変換のために、第1のパルスは、第1の相変化層及び第2の相変化層が結晶化して第1の状態に戻るように第1の相変化層及び第2の相変化層に印加される。次に、第2のパルスは、メモリ状態に従って、第1の相変化層及び第2の相変化層の結晶を変化するために印加される。 Two stage operation is used in zero mode operation. For the state conversion, the first pulse is generated by the first phase change layer and the second phase change layer such that the first phase change layer and the second phase change layer are crystallized to return to the first state. To be applied. A second pulse is then applied to change the crystals of the first phase change layer and the second phase change layer according to the memory state.
詳細な動作は、図7を参照して以下に記述される。 Detailed operation will be described below with reference to FIG.
図7のY軸は、読出し電流を指し、最も高いところから順番に、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を表す。矢印の方向は、異なるメモリ状態に対する制御信号を表す。本発明の原理に従って、各メモリ状態に対するエネルギーは、異なっている。従って、各状態の抵抗に従って、4つの制御信号が必要とされる。これらの信号は、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態に対応して、夫々、第1の制御信号、第2の制御信号、第3の制御信号、及び第4の制御信号と呼ばれる。 The Y axis in FIG. 7 indicates the read current, and represents the first state, the second state, the third state, and the fourth state in order from the highest. The direction of the arrow represents a control signal for different memory states. In accordance with the principles of the present invention, the energy for each memory state is different. Therefore, four control signals are required according to the resistance of each state. These signals correspond to the first state, the second state, the third state, and the fourth state, respectively, a first control signal, a second control signal, a third control signal, And the fourth control signal.
相変化層の状態変換に対応する制御信号は、表IIにリストアップされている。 Control signals corresponding to phase change layer state conversions are listed in Table II.
第1の制御信号を印加すると、第1の相変化層と第2の相変化層は、結晶状態(第1の状態)になる。第2の制御信号を印加すると、これらの層は、第2の状態になる。第3の制御信号を印加すると、これらの層は、第3の状態になる。第4の制御信号を印加すると、これらの層は、第4の状態になる。 When the first control signal is applied, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state (first state). When the second control signal is applied, these layers are in the second state. When the third control signal is applied, these layers are in the third state. When the fourth control signal is applied, these layers are in the fourth state.
図7に示されるように、第3の状態から第2の状態に変換されると、第1の制御信号は、セルが第1の状態になるように最初に印加され、次に、第2の制御信号は、セルが第2の状態になるように印加される。他の実施の形態では、第4の状態から第2の状態へ変換する時に、第1の制御信号は、セルが第1の状態になるように最初に印加され、次に、第4の制御信号は、セルが第4の状態になるように印加される。従って、ゼロモード動作において、メモリ状態を変化するために二つの信号が必要である。第1のパルスは、状態をゼロに戻すために印加され、第2のパルスは、セルが希望の状態になるように印加される。 As shown in FIG. 7, when converted from the third state to the second state, the first control signal is first applied so that the cell is in the first state, and then the second The control signal is applied so that the cell is in the second state. In other embodiments, when converting from the fourth state to the second state, the first control signal is first applied such that the cell is in the first state, and then the fourth control. The signal is applied so that the cell is in the fourth state. Thus, in zero mode operation, two signals are required to change the memory state. The first pulse is applied to return the state to zero and the second pulse is applied so that the cell is in the desired state.
本発明の原理に従って、ゼロモード用の制御信号は、少ない。動作がより容易であり、アモルファス化ボリュームの不完全な結晶化に関する問題が無い。 In accordance with the principles of the present invention, there are few control signals for zero mode. It is easier to operate and there are no problems with incomplete crystallization of the amorphized volume.
他の実施の形態において、この方法は、ダイレクトオーバーライトモードである。前述のゼロ動作は、状態変換中のダイレクトオーバーライドモードには必要ない。同様に、表IIIにリストアップされる4つの制御信号が必要である。 In other embodiments, the method is a direct overwrite mode. The aforementioned zero operation is not necessary for the direct override mode during state conversion. Similarly, four control signals listed in Table III are required.
第1の制御信号を印加すると、第1の相変化層と第2の相変化層が結晶状態(第1の状態)になる。第2の制御信号を印加すると、これらの層は、第2の状態になる。第3の制御信号を印加すると、これらの層は、第3の状態になる。第4の制御信号を印加すると、これらの層は、第4の状態になる。 When the first control signal is applied, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state (first state). When the second control signal is applied, these layers are in the second state. When the third control signal is applied, these layers are in the third state. When the fourth control signal is applied, these layers are in the fourth state.
図8に示されるように、第3の状態から第2の状態へ変換する時、第2の制御信号のみが印加される。他の実施の形態において、第2の状態から第4の状態へ変換する時、第4の制御信号のみが印加される。従って、ダイレクトオーバーライトモードにおいて、状態変換のために一個のパルスのみが必要である。このダイレクトオーバーライトモードは、変換時間の短縮という利点を有し、元のメモリ状態は、変換前に最初に検出される必要は無い。 As shown in FIG. 8, when converting from the third state to the second state, only the second control signal is applied. In other embodiments, only the fourth control signal is applied when converting from the second state to the fourth state. Therefore, in the direct overwrite mode, only one pulse is necessary for state conversion. This direct overwrite mode has the advantage of shortening the conversion time, and the original memory state need not be detected first before conversion.
本発明の態様及びcd原理に従って、マルチレベルメモリセルは、並列に接続された2個の独立した単一層変化セルによって構成され、書き込みと読出しの異なる抵抗レベルに対して同じ駆動電圧を使用する。 In accordance with aspects of the present invention and the cd principle, a multi-level memory cell is composed of two independent single layer change cells connected in parallel and uses the same drive voltage for different resistance levels for writing and reading.
これらの2個の独立した相変化セルは、ゼロモード又はダイレクトオーバーライトモードにおける状態変換動作用の2電圧−パルス(V−t)図を得るために構成される。 These two independent phase change cells are configured to obtain a two voltage-pulse (Vt) diagram for state conversion operation in zero mode or direct overwrite mode.
一実施の形態において、二つの独立した相変化セルは、一つ又は二つの異なる相変化材料を採用する。他の実施の形態において、加熱電極や電極の接点領域の材料は、電流密度を調節して加熱効率を制御するために変化される。一実施の形態では、加熱層は、加熱効率を向上するために電極と各相変化層との間に形成される。他の実施の形態では、相変化層とボトム電極(金属熱伝導層)の厚みは、熱放射効率を制御するために調整される。例えば、結晶状態において低抵抗を有する材料が使用される場合、加熱効率を向上するために、加熱層が形成或いは電極の接点面積が減少される。一実施の形態では、材料が、より速い臨界冷却速度を必要とする場合、相変化層の厚みを減少或いはボトム電極の厚みを増加することによって達成される。 In one embodiment, two independent phase change cells employ one or two different phase change materials. In other embodiments, the material of the heating electrode and the contact area of the electrode is varied to adjust the current density to control the heating efficiency. In one embodiment, the heating layer is formed between the electrode and each phase change layer to improve heating efficiency. In other embodiments, the thickness of the phase change layer and the bottom electrode (metal thermal conduction layer) is adjusted to control the thermal radiation efficiency. For example, when a material having a low resistance in the crystalline state is used, a heating layer is formed or the contact area of the electrode is reduced to improve the heating efficiency. In one embodiment, if the material requires a faster critical cooling rate, this is accomplished by reducing the thickness of the phase change layer or increasing the thickness of the bottom electrode.
本発明の相変化層の直列構造を示す図9を参照する。この実施の形態では、相変化層は、第1の相変化層110、第2の相変化層120、中間層130、第1の電極141、及び第2の電極142を含む。第1の相変化層110と第2の相変化層120は、半導体プロセスによって中間層130の二つの表面上に形成される。第1の電極141は、半導体プロセスによって第1の相変化層110の他の側に形成される。第2の電極142は、半導体プロセスによって第2の相変化層120の他の側に形成される。
Reference is made to FIG. 9 showing the serial structure of the phase change layer of the present invention. In this embodiment, the phase change layer includes a first
他の実施の形態において、保護層150は、第1の相変化層110、第2の相変化層120、中間層130、第1の電極141、及び第2の電極142を被覆し保護するために、半導体プロセスによって誘電材料で形成される。第1の電極141と第2の電極142は、第1の相変化層110と第2の相変化層120が加熱されて電気信号を介して状態を変化するように電圧又は電流信号を供給し、それによって、本発明に従って相変化メモリの動作を制御する。
In another embodiment, the
相変化メモリの主構造が図9の実施の形態のものと同じである図10を参照する。随意的に、第1の機能層161と第2の機能層162は、第1の電極141と第1の相変化層110間、及び第2の電極142と第2の相変化層120間に形成される。第1の機能層161と第2の機能層162の材料は、ポリ−Si又はSiCである。一実施の形態では、第1の機能層161と第2の機能層162は、加熱効率を向上するための加熱層であっても良い。一実施の形態では、第1の機能層161と第2の機能層162は、第1の相変化層の結晶化速度を加速するための核生成加速層であってもよい。他の実施の形態では、第1の機能層161と第2の機能層162は、第1の相変化層と第1の電極間の拡散を防止するための拡散停止層であってもよい。第1の機能層161と第2の機能層162は、材料の特性に従って、上記リストアップされた機能の一つ、二つ、或いは全てを備えてよい。
Reference is made to FIG. 10 where the main structure of the phase change memory is the same as that of the embodiment of FIG. Optionally, the first
第1の機能層161の面積は、電極の面積と同じでも、異なっていても良く、且つ相変化層の面積と同じでも異なっていても良い。同様に、第2の機能層162の面積は、電極の面積と同じでも、異なっていても良く、且つ相変化層の面積と同じでも異なっていても良い。第1の機能層161と第2の機能層162は、同じでも異なっていてもよい。図示された実施の形態は、単なる例示的且つ説明的であり、第1の機能層161と第2の機能層162の面積と厚みを制限する意図はない。一実施の形態において、随意的に、第1の機能層161又は第2の機能層162が配置される。
The area of the first
本発明の原理に従って、単一のメモリセルを形成するために、二つの相変化層が使用且つ直列に接続される。各相変化層は、結晶状態とアモルファス状態を有し、加熱によって変化され得る。 In accordance with the principles of the present invention, two phase change layers are used and connected in series to form a single memory cell. Each phase change layer has a crystalline state and an amorphous state and can be changed by heating.
第1の相変化層110は、結晶状態とアモルファス状態を有し、第2の相変化層120も結晶状態とアモルファス状態を有する。このように、二つの相変化層が直列に接続されると、4つの状態が形成される。これらの4つの状態は、以降、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態と呼ばれる。これら4つの状態に対する条件は、以下のように記述される。
First
第1の相変化層110は、結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第1の特性曲線を有し、第2の相変化層120は、結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第2の特性曲線を有する。第1の相変化層110と第2の相変化層120は、直列に構成される。第1と第2の特性曲線は互いに交叉して、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を形成する。第1の状態において、第1の相変化層110と第2の相変化層が、結晶状態である一方、第2の状態において、第1の相変化層110が、アモルファス状態にあり、第2の相変化層120は、結晶状態にある。第3の状態において、第1の相変化層110が、結晶状態にあり、第2の相変化層120が、アモルファス状態である一方、第4の状態において、第1の相変化層110と第2の相変化層120が、アモルファス状態にある。
The first
第1の相変化層110と第2の相変化層120は、相変化のための互いに異なる材料であり、異なる特性を有し、抵抗差を有することが好ましい。これら二つの材料の特性は、逆である。また、第1の相変化層110と第2の相変化層120の結晶化とアモルファス化速度は、異なっていることが好ましい。例えば、これらの層の一方は、低抵抗、高結晶化温度、及び速い結晶化速度の特性を有する材料を使用でき、他方の層は、高抵抗、低結晶化温度、及びよりゆっくりとした結晶化速度の特性を有する材料を使用出来る。一実施の形態では、第1の相変化層110と第2の相変化層120の材料は、異なっている。他の実施の形態では、これら二つの層は、同じ相変化材料を使用出来る。4つのメモリ状態の技術的効果は、最適化構造設計を介して二つの単一相変化セルを直列に形成することによって、達成され得る。
The first
例えば、第1の相変化層110は、ドープされた共晶SbTe、AgInSbTe又はGeInSbTeを使用出来る。第2の相変化層120は、Ge2Sb2Te5のようなGeSbTe化合物を使用出来る。前述の材料は、例示のために過ぎず、本発明の組成を制限する意図はない。異なる抵抗変化及び結晶化/アモルファス化速度を有する二つの相変化層は、相変化層の組成を変更し、相変化層の厚みを調節し、トップ電極タイプと接点面積を区別し、又は相変更層とトップ電極の間に機能層を形成することによって、得られる。
For example, the first
中間層130は、良好な電気及び熱伝導性を有する安定した構造を持つ材料を採用出来る。例えば、材料は、金属窒化物、金属炭化物、又は金属ケイ化物である。
The
第1の電極141と第2の電極142の材料は、同じでも異なっていてもよい。一実施の形態において、製造プロセスを単純化するために、第1の電極141と第第2の電極142の材料は同じであってもよい。加熱効率は、電極のサイズを調節することによって制御される。一実施の形態において、第1の電極141と第2の電極142のサイズは、同じであっても良い。他の実施の形態において、第1の電極141と第2の電極142のサイズは、異なっても良い。電極のサイズは、加熱効率を制御するために調整される。
The materials of the
一実施の形態において、提供された相変化メモリは、例えば、MOSFETやBJTのようなトランジスタを介して書き込み又は読み出されるセルを選択する。第1の相変化層110と第2の相変化層120の相変化のための十分な熱は、ヒータに、或いは第1の電極141と第2の電極142に電圧を印加することによって、発生される。次に、信号が電極を介して受信端及びセンス増幅器に送られる。本発明の原理に従って、マルチレベル相変化メモリの動作は、印加電圧と印加時間によって制御される。
In one embodiment, the provided phase change memory selects a cell to be written or read via a transistor such as a MOSFET or BJT. Sufficient heat for the phase change of the first
本発明に従う相変化メモリの製造プロセスを示す図12A乃至12Iを参照する。 Reference is made to FIGS. 12A to 12I which illustrate the fabrication process of a phase change memory according to the present invention.
金属接点1101が形成された基板1100は、先のCMOS又はバイポーラ製造プロセスで提供される。次に、図12Aに示されるように、酸化物層1102が、基板1100に蒸着される。
The
スルーホールが、マスキングとエッチングプロセスによって形成される。第1の電極1110は、図12Bに示されるように、スルーホール内に形成される。次に、図12Cに示されるように、第1の相変化層1120、中間層1130、及び第2の相変化層1140は、逐次形成される。
Through holes are formed by masking and etching processes. The
次に、図12Dに示されるように、酸化物層1150が形成される。他のスルーホールが、マスキングプロセス及びエッチングプロセスによって形成される。図12Eに示されるように、第2の電極1160が、スルーホール内に形成される。
Next, as shown in FIG. 12D, an
上記実施の形態に記述されているように、第1の機能層が、第1の電極1110と第1の相変化層1120との間に更に形成されると共に、第2の機能層が、第2の電極1150と第2の相変化層1140との間に更に形成される。
As described in the above embodiment, the first functional layer is further formed between the
本発明に従う相変化メモリの動作が、以下のように示される。図13A及び図13Dを参照する。 The operation of the phase change memory according to the present invention is shown as follows. Please refer to FIG. 13A and FIG. 13D.
本発明に従う相変化メモリは、動作中、電流駆動モードを使用する。第1の相変化層111と第2の相変化層112は、第1の電極141と第2の電極142上に異なる電流を印加することによって加熱される。次に、第1の相変化層111と第2の相変化層112は、その材料特性によって、0、1、又は2アモルファスボリュームを発生する。本発明において、2アモルファスボリュームは、第2の状態、1アモルファスボリュームは、第3の状態及び第4の状態、0アモルファスボリュームは、第1の状態と呼ばれる。全状態の概略図が、図13A乃至図13Dに示される。アモルファスボリュームを有する相変化層は、最も高い抵抗を有する。従って、第2の状態の直列抵抗が最も高く、第3の状態が二番目、第4の状態が三番目に高く、第1の状態の抵抗が、最も低い。4つの抵抗レベルは、4つのメモリ状態に対応し、それによって、4つのメモリ状態を達成する。
The phase change memory according to the present invention uses a current drive mode during operation. The first phase change layer 111 and the second phase change layer 112 are heated by applying different currents on the
本発明の原理に従って、第1の相変化層111と第2の相変化層112の材料の物理パラメータは、表IVに示されるように推定され、ここでは、第1の材料が第1の相変化層111に適用される一方、第2の材料が第2の相変化層112に、或いはその逆で適用される。 In accordance with the principles of the present invention, the physical parameters of the materials of the first phase change layer 111 and the second phase change layer 112 are estimated as shown in Table IV, where the first material is the first phase change layer. While applied to the change layer 111, a second material is applied to the second phase change layer 112 or vice versa.
以下でリストアップされる材料は、例示的且つ、説明的なものであり、本発明の相変化メモリの材料を制限する意図は無い。従って、当業者は、適切な材料の選択を介して4つのメモリ状態を有する相変化メモリを得ることが出来る。 The materials listed below are exemplary and illustrative and are not intended to limit the materials of the phase change memory of the present invention. Thus, those skilled in the art can obtain a phase change memory having four memory states through the selection of appropriate materials.
第1の材料と第2の材料のアモルファスボリュームは、同じであることが想定される。厚みと結晶化面積の比率は、1:9である。加熱電極のサイズは、同じである。各状態に対する全抵抗は、以下のように推定される。
<第1の状態>
第1の相変化層と第2の相変化層が結晶化する。
R1=(5×10-3)×10+[(1×10-2)×10]〜0.15
<第2の状態>
第1の相変化層が結晶化し、第2の相変化層がアモルファスになる。
R2=[50×1+(5×10-3)×9]+[(1×10-2)×10]〜50
<第3の状態>
第1の相変化層がアモルファスになり、第2の相変化層が結晶化する。
R3=[(5×10-3)×10]+[100×1+(1×10-2)×9]〜100
<第4の状態>
第1の相変化層と第2の相変化層がアモルファスになる。
R4=[50×1+(5×10-3)×9]+[100×1+(1×10-2)×9]〜150
It is assumed that the amorphous volume of the first material and the second material are the same. The ratio of thickness to crystallization area is 1: 9. The size of the heating electrode is the same. The total resistance for each state is estimated as follows.
<First state>
The first phase change layer and the second phase change layer are crystallized.
R1 = (5 × 10 −3 ) × 10 + [(1 × 10 −2 ) × 10] to 0.15
<Second state>
The first phase change layer crystallizes and the second phase change layer becomes amorphous.
R2 = [50 × 1 + (5 × 10 −3 ) × 9] + [(1 × 10 −2 ) × 10] to 50
<Third state>
The first phase change layer becomes amorphous and the second phase change layer crystallizes.
R3 = [(5 × 10 −3 ) × 10] + [100 × 1 + (1 × 10 −2 ) × 9] -100
<Fourth state>
The first phase change layer and the second phase change layer become amorphous.
R4 = [50 × 1 + (5 × 10 −3 ) × 9] + [100 × 1 + (1 × 10 −2 ) × 9] to 150
上記推定から、全抵抗は、アモルファス化された領域の抵抗によって決定される。従って、メモリ状態は、メモリの電圧を読み出すことによって決定される。 From the above estimation, the total resistance is determined by the resistance of the amorphized region. Thus, the memory state is determined by reading the memory voltage.
上でリストアップされた条件の特性曲線の図13A乃至図13Dを参照する。図面中の領域I、II、III及びIVは、適切な材料を選択又は構造体のサイズを調節することによって得られる。 Reference is made to FIGS. 13A-13D of the characteristic curves for the conditions listed above. Regions I, II, III and IV in the drawing can be obtained by selecting an appropriate material or adjusting the size of the structure.
単一の相変化セルの電流パルステストは、第1の材料と第2の材料に対して行われる。アモルファス化と結晶化の条件は、電流(I)と時間(t)を変調(変化)することによって得られる。結晶化されたセルは、アモルファス化テストに使用されるが、書き込まれたセルは結晶化テストに使用される。これらのテスト結果は、アモルファス化領域、結晶化領域、及びアブレーション領域を有するI−t図に示される。アモルファス化領域と結晶化領域は、メモリセルの構造パラメータを調整することによって全体的にオーバーラップしないように調整される。従って、異なる相変化材料に従って複数の対応する関係がある。例えば、より高い結晶化温度は、結晶化領域のより高いボトムエッジに対応し、より高い融点は、アモルファス化領域のより高いボトムエッジに対応し、より速い結晶化速度は、結晶化領域とアモルファス化領域のフロントエッジに対応する。
二つのメモリが直列に接続され且つ電流パルス(I、t)がオーバーラップアモルファス化領域(エリアIV)に入ると、各相変化層は、アモルファスボリュームを有する。電流パルス(I、t)が、第1の材料のアモルファス化領域に入り、第2の材料のアモルファス化領域とオーバーラップしない場合(エリアIII)、第1の相変化層は、アモルファスボリュームを有するが、第2の相変化層は働かない。電流パルス(I、t)が、第2の材料のアモルファス化領域に入り、第1の材料のアモルファス化領域とオーバーラップしない場合(エリアII)、第2の相変化層のみがアモルファスボリュームを発生するが、第1の相変化層は、溶融して、滑らかにクールダウンし、次に、結晶化する。電流パルス(I、t)が、オーバーラップした結晶化領域(エリアI)に入ると、二つの相変化層は、それらがある状態に拘わらす、結晶化する。
A current pulse test of a single phase change cell is performed on the first material and the second material. Amorphization and crystallization conditions can be obtained by modulating (changing) the current (I) and time (t). The crystallized cell is used for the amorphization test, while the written cell is used for the crystallization test. These test results are shown in an It diagram having an amorphized region, a crystallized region, and an ablation region. The amorphous region and the crystallized region are adjusted so as not to overlap entirely by adjusting the structural parameters of the memory cell. Thus, there are a plurality of corresponding relationships according to different phase change materials. For example, a higher crystallization temperature corresponds to a higher bottom edge of the crystallization region, a higher melting point corresponds to a higher bottom edge of the amorphous region, and a faster crystallization rate corresponds to the crystallization region and the amorphous region. Corresponds to the front edge of the conversion area.
When the two memories are connected in series and the current pulse (I, t) enters the overlapping amorphized region (area IV), each phase change layer has an amorphous volume. If the current pulse (I, t) enters the amorphized region of the first material and does not overlap with the amorphized region of the second material (area III), the first phase change layer has an amorphous volume. However, the second phase change layer does not work. If the current pulse (I, t) enters the amorphized region of the second material and does not overlap with the amorphized region of the first material (area II), only the second phase change layer generates an amorphous volume. However, the first phase change layer melts and cools down smoothly, and then crystallizes. When the current pulse (I, t) enters the overlapping crystallization region (area I), the two phase change layers crystallize, regardless of their state.
異なる第1の材料と第2の材料が、構造パラメータを適切に調節することによってテストのために選択される。得られた結果は、図13A乃至図13Dに示される。これらの図に示される結果から、二つの相変化層によって形成される4つのメモリ状態が得られる。 Different first and second materials are selected for testing by appropriately adjusting the structural parameters. The obtained results are shown in FIGS. 13A to 13D. From the results shown in these figures, four memory states formed by two phase change layers are obtained.
本発明の原理に従って、異なるメモリ状態への移行時の相変化メモリの動作に対して二つの方法が、採用され得る。 In accordance with the principles of the present invention, two methods can be employed for operation of the phase change memory when transitioning to different memory states.
これらの二つの方法は、以降、ゼロモード及びダイレクトオーバーライトモードと呼ばれる。メモリ状態(第2、第3、及び第4の状態)は、ゼロモードの動作のために、ゼロ、即ち、第1の状態(第1の相変化層と第2の相変化層が結晶化する)に戻され、他のメモリ状態へ変換される。この動作は、以下のように行われる。 These two methods are hereinafter referred to as zero mode and direct overwrite mode. The memory state (second, third, and fourth states) is zero for zero mode operation, ie, the first state (the first phase change layer and the second phase change layer are crystallized). Is converted to another memory state. This operation is performed as follows.
2ステージ動作がゼロモード動作で使用される。状態変換のために、第1のパルスは、第1の相変化層及び第2の相変化層が結晶化して第1の状態に戻るように第1の相変化層及び第2の相変化層に印加される。次に、第2のパルスは、メモリ状態に従って、第1の相変化層及び第2の相変化層の結晶を変化するために印加される。 Two stage operation is used in zero mode operation. For the state conversion, the first pulse is generated by the first phase change layer and the second phase change layer such that the first phase change layer and the second phase change layer are crystallized to return to the first state. To be applied. A second pulse is then applied to change the crystals of the first phase change layer and the second phase change layer according to the memory state.
詳細な動作は、図14を参照して以下に記述される。 The detailed operation will be described below with reference to FIG.
図14のY軸は、読出し電圧を指し、最も高いところから順番に、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を表す。矢印の方向は、異なるメモリ状態に対する制御信号を表す。本発明の原理に従って、各メモリ状態に対するエネルギーは、異なっている。従って、各状態の抵抗に従って、4つの制御信号が必要とされる。これらの信号は、第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態に対応して、夫々、第1の制御信号、第2の制御信号、第3の制御信号、及び第4の制御信号と呼ばれる。 The Y axis in FIG. 14 indicates the read voltage, and represents the first state, the second state, the third state, and the fourth state in order from the highest. The direction of the arrow represents a control signal for different memory states. In accordance with the principles of the present invention, the energy for each memory state is different. Therefore, four control signals are required according to the resistance of each state. These signals correspond to the first state, the second state, the third state, and the fourth state, respectively, a first control signal, a second control signal, a third control signal, And the fourth control signal.
第1の制御信号を印加すると、第1の相変化層と第2の相変化層は、結晶状態(第1の状態)になる。第2の制御信号を印加すると、これらの層は、第2の状態になる。第3の制御信号を印加すると、これらの層は、第3の状態になる。第4の制御信号を印加すると、これらの層は、第4の状態になる。 When the first control signal is applied, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state (first state). When the second control signal is applied, these layers are in the second state. When the third control signal is applied, these layers are in the third state. When the fourth control signal is applied, these layers are in the fourth state.
図14に示されるように、第3の状態から第2の状態に変換されると、第1の制御信号は、セルが第1の状態になるように最初に印加され、次に、第2の制御信号は、セルが第2の状態になるように印加される。他の実施の形態では、第4の状態から第2の状態へ変換する時に、第1の制御信号は、セルが第1の状態になるように最初に印加され、次に、第4の制御信号は、セルが第4の状態になるように印加される。従って、ゼロモード動作において、メモリ状態を変化するために二つの信号が必要である。第1のパルスは、状態をゼロに戻すために印加され、第2のパルスは、セルが希望の状態になるために印加される。以降、パルスや制御信号は、電圧信号であることが好ましい。 As shown in FIG. 14, when converted from the third state to the second state, the first control signal is first applied so that the cell is in the first state, and then the second The control signal is applied so that the cell is in the second state. In other embodiments, when converting from the fourth state to the second state, the first control signal is first applied such that the cell is in the first state, and then the fourth control. The signal is applied so that the cell is in the fourth state. Thus, in zero mode operation, two signals are required to change the memory state. The first pulse is applied to bring the state back to zero, and the second pulse is applied to bring the cell to the desired state. Thereafter, the pulse and the control signal are preferably voltage signals.
本発明の原理に従って、ゼロモード用の制御信号は、少ない。動作がより容易であり、アモルファス化ボリュームの不完全な結晶化の問題が無い。 In accordance with the principles of the present invention, there are few control signals for zero mode. It is easier to operate and there is no problem of incomplete crystallization of the amorphous volume.
他の実施の形態において、この方法は、ダイレクトオーバーライトモードである。前述のゼロ動作は、状態変換中のダイレクトオーバーライドモードには必要ない。同様に、表VIにリストアップされる4つの制御信号が必要である。 In other embodiments, the method is a direct overwrite mode. The aforementioned zero operation is not necessary for the direct override mode during state conversion. Similarly, four control signals listed in Table VI are required.
第1の制御信号を印加すると、第1の相変化層と第2の相変化層が結晶状態(第1の状態)になる。第2の制御信号を印加すると、これらの層は、第2の状態になる。第3の制御信号を印加すると、これらの層は、第3の状態になる。第4の制御信号を印加すると、これらの層は、第4の状態になる。 When the first control signal is applied, the first phase change layer and the second phase change layer are in a crystalline state (first state). When the second control signal is applied, these layers are in the second state. When the third control signal is applied, these layers are in the third state. When the fourth control signal is applied, these layers are in the fourth state.
図15に示されているように、第3の状態から第2の状態へ変換する場合、第2の制御信号のみが印加される。他の実施の形態において、第2の状態から第4の状態へ変換する場合、第4の制御信号のみが印加される。従って、ダイレクトオーバーライトモードにおいて、状態変換のために一個のパルスのみが必要である。以降、パルスや制御信号は、電圧信号であることが好ましい。 As shown in FIG. 15, when converting from the third state to the second state, only the second control signal is applied. In another embodiment, when converting from the second state to the fourth state, only the fourth control signal is applied. Therefore, in the direct overwrite mode, only one pulse is necessary for state conversion. Thereafter, the pulse and the control signal are preferably voltage signals.
このダイレクトオーバーライトモードは、変換時間の短縮という利点を有し、元のメモリ状態は、変換前に最初に検出される必要は無い。 This direct overwrite mode has the advantage of shortening the conversion time, and the original memory state need not be detected first before conversion.
本発明の態様及び原理に従って、マルチレベルメモリセルは、直列に接続された2個の独立した単一相変化セルによって構成され、書き込みと読出しの異なる抵抗レベルに対して同じ駆動電流(読み出し電圧)を使用する。 In accordance with aspects and principles of the present invention, a multi-level memory cell is comprised of two independent single phase change cells connected in series, with the same drive current (read voltage) for different write and read resistance levels. Is used.
二つの独立した相変化セルは、ゼロモード又はダイレクトオーバーライトモードにおいて状態変換動作のための二つの電流−パルス(I−t)図を得るように構成される。 Two independent phase change cells are configured to obtain two current-pulse (It) diagrams for state conversion operations in zero mode or direct overwrite mode.
このように、本発明が記述されたが、本発明は、多くの方法で変更され得ることは明確である。このような変更は、本発明の精神と範囲から逸脱していると見なされるべきではなく、当業者に自明であるこのような変更の全ては、以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。 Thus, while the invention has been described, it is clear that the invention can be modified in many ways. Such modifications should not be considered as departing from the spirit and scope of the present invention, and all such modifications that are obvious to those skilled in the art are included within the scope of the following claims. Intended.
Claims (49)
少なくとも結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第1の特性曲線を有する第1の相変化層と、
少なくとも結晶状態とアモルファス状態を含む、電流―時間関係の第2の特性曲線を有する第2の相変化層と、
第1と第2の特性曲線は、互いに交差して第1の状態、第2の状態、第3の状態、及び第4の状態を形成し、第1の状態において、第1の相変化層と第2の相変化層が、結晶状態にあり、第2の状態において、第1の相変化層がアモルファス状態にあり第2の相変化層が結晶状態にあり、第3の状態において、第1の相変化層が結晶状態にあり第2の相変化層がアモルファス状態にあり、第4の状態において、第1の相変化層と第2の相変化層がアモルファス状態にある、相変化メモリ。 Phase change memory,
A first phase change layer having a first characteristic curve of current-time relationship including at least a crystalline state and an amorphous state;
A second phase change layer having a second characteristic curve of current-time relationship including at least a crystalline state and an amorphous state;
The first and second characteristic curves intersect each other to form a first state, a second state, a third state, and a fourth state, and in the first state, the first phase change layer And the second phase change layer is in a crystalline state, and in the second state, the first phase change layer is in an amorphous state, the second phase change layer is in a crystalline state, and in the third state, A phase change memory in which one phase change layer is in a crystalline state, a second phase change layer is in an amorphous state, and in the fourth state, the first phase change layer and the second phase change layer are in an amorphous state .
結晶状態とアモルファス状態を有する第1の相変化層と、
結晶状態とアモルファス状態を有する第2の相変化層と、
電気信号を供給して第1の相変化層と第2の相変化層の状態を変化するために、第1の相変化層と第2の相変化層の内の一つ表面に形成された第1のトップ電極と第2のトップ電極と、
第1の相変化層と第2の相変化層の内の他の一つの表面に形成された少なくとも一つのボトム電極と、を備える相変化メモリ。 Phase change memory,
A first phase change layer having a crystalline state and an amorphous state;
A second phase change layer having a crystalline state and an amorphous state;
Formed on one surface of the first phase change layer and the second phase change layer in order to change the states of the first phase change layer and the second phase change layer by supplying an electric signal; A first top electrode and a second top electrode;
A phase change memory comprising: a first phase change layer and at least one bottom electrode formed on another surface of the second phase change layer.
中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、
基板上にボトム電極を形成するステップと、
ボトム電極上に相変化層を形成するステップと、
相変化層の一部にイオンをインプラントして第1の相変化層と第2の相変化層とを形成するステップと、
対応する第1の相変化層と第2の相変化層に第1のトップ電極と第2のトップ電極を形成するステップと、を備える製造方法。 A manufacturing method for manufacturing a phase change memory, comprising:
Providing a substrate having metal contacts formed therein;
Forming a bottom electrode on the substrate;
Forming a phase change layer on the bottom electrode;
Implanting ions into a portion of the phase change layer to form a first phase change layer and a second phase change layer;
Forming a first top electrode and a second top electrode on the corresponding first phase change layer and second phase change layer.
中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、
基板上にボトム電極を形成するステップと、
ボトム電極上に第1の相変化層と第2の相変化層を形成するステップと、
第1のトップ電極と第2のトップ電極を対応する第1の相変化層と第2の相変化層に形成するステップと、を備える製造方法。 A manufacturing method for manufacturing a phase change memory, comprising:
Providing a substrate having metal contacts formed therein;
Forming a bottom electrode on the substrate;
Forming a first phase change layer and a second phase change layer on the bottom electrode;
Forming a first top electrode and a second top electrode on the corresponding first phase change layer and second phase change layer.
第1のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層を結晶化するステップと、
第2のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップと、を備える状態変換方法。 A phase change memory state conversion method according to claim 4,
Applying a first pulse to crystallize the first phase change layer and the second phase change layer;
Applying a second pulse to change the crystal states of the first phase change layer and the second phase change layer.
パルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化するステップを備える状態変換方法。 A phase change memory state conversion method according to claim 4,
A state conversion method comprising a step of applying a pulse to change the crystal states of the first phase change layer and the second phase change layer.
第1の相変化層と、
第2の相変化層と、
第1の相変化層と第2の相変化層との間に形成された中間層と、
第1の相変化層の他の側に形成された第1の電極と、
第2の相変化層の他の側に形成された第2の電極と、を備える相変化メモリ。 Phase change memory,
A first phase change layer;
A second phase change layer;
An intermediate layer formed between the first phase change layer and the second phase change layer;
A first electrode formed on the other side of the first phase change layer;
And a second electrode formed on the other side of the second phase change layer.
中に金属接点が形成された基板を提供するステップと、
基板上に第1の電極を形成するステップと、
第1の相変化層を形成し、中間層と第2の相変化層を第1の電極に逐次形成するステップと、
第2の相変化層上に第2の電極を形成するステップと、を備える製造方法。 A manufacturing method for manufacturing a phase change memory, comprising:
Providing a substrate having metal contacts formed therein;
Forming a first electrode on a substrate;
Forming a first phase change layer and sequentially forming an intermediate layer and a second phase change layer on the first electrode;
Forming a second electrode on the second phase change layer.
電圧信号である第1のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層を結晶化するステップと、
電圧信号である第2のパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップと、を備える状態変換方法。 A state change method for a phase change memory comprising at least a first phase change layer and a second phase change layer, each of these layers comprising at least a crystalline state and an amorphous state so that four memory states are formed And the method comprises:
Applying a first pulse that is a voltage signal to crystallize the first phase change layer and the second phase change layer;
Applying a second pulse as a voltage signal to change the crystal states of the first phase change layer and the second phase change layer.
電圧信号であるパルスを印加して第1の相変化層と第2の相変化層の結晶状態を変化させるステップを備える状態変換方法。 A state change method for a phase change memory comprising at least a first phase change layer and a second phase change layer, each of these layers comprising at least a crystalline state and an amorphous state so that four memory states are formed And the method comprises:
A state conversion method comprising a step of changing a crystal state of a first phase change layer and a second phase change layer by applying a pulse which is a voltage signal.
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