TW201103180A - Thermal protect pcram structure and method for making - Google Patents
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Description
201103180 P970182 30896twf.doc/n 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 及ΐίίΓί關於基於相變記憶體材料之記憶體裝置以 方法’相變記憶體材料包括硫屬化合物 ^ 或者是其他可程式化電阻材料。 、,4, 【先前技術】 相變(phase change)類記憶體材料,如护屬 :斗,刺,可藉由以適合積體電路實:之匕;:= =電流’導致非結晶態與結晶態之間的相態改變。 …曰狀,4的特徵是具有比—般結晶狀態更高的電阻率,又宜 2谷易地被感_而指示資料。在制可程式化電阻^ 料來形成非揮發性記憶體電路(可隨機地讀取與寫 , 這些特性令人產生興趣。 結晶狀態顧變,在此—般為—較低電流 插作’厂中電w會加熱相變材料,使之達到轉態溫度以上, 以&成主動區從非結晶到結晶相的轉態。在此所稱之從結 晶f非、=的改變’―般為—較高電流操作,其包括-短 且商電流密度脈衝’㈣化或破壞結日日日結構,之後相變材 料很?地=卻’抑制相變過程_g_讓至少—部分相變材料的 主動區穩疋於非結晶相。技術是要讓主動區變小,使得誘 發相變所需的電流量得以降低。 藉由減少相變材料元件的大小及/或與相變材料元件 接觸之電極的大小’可以降低所需的電流大小,使得能以 小的絕對電流值’達到主動區中之較高的電流密度。 201103180 P970182 30896twf.doc/n 控制主動區大小的一個方式是,設計非常小的電極, 用以將電流傳送到相變材料的本體。此小電極結構是在接 觸的位置將電流集中在像磨菇頭的小區域中。參考美國專 利號No. 6,429,064,公告於2002年8月6日,授予Wicker 之側壁導體之縮減接觸面積(Reduced Contact Areas of
Sidewall Conductor),,;美國專利號 No. 6,462,353,公告於 2002年l〇月8日,授予Gilgen之“製造電極間接觸的小面 積的方法(Method for fabricating a Small Area of Contact Between Electrodes)” ;美國專利號 No. 6,501,111,公告於 2002年12月31日,授予Lowery之“三維可程式化裝置 (Three-Dimensional (3D) Programmable Device)” ;美國專利 號版6,563,156,公告於2003年1月1日,授予1^碰别 之5己憶體元件及其製造方法(Memory Elements and Methods for Making Same)”。 控制主動區大小的另一種方式包括將電極隔開,使得 流過其間的電流得以被集中在相變材料之薄層的厚度。參 考美國專利申請公開號No. 2007/0048945,Czubatyj等人 提出之“記憶體裝置及其製造方法(Memory Device and Method of Making Same)’’。另,參考下面本申請案之共同 申請人的的申請和專利,美國專利申請號No. 11/864,273, 2007年9月28日提出申請’ Lung所提出之“具有側電極 接觸的記憶體胞(Memory Cell Having A Side Electrode Contact)” ;美國專利號 No. 7,463,512,2008 年 12 月 9 曰 公告,Lung所提出之“具有縮減電流相變元件的記憶體元 件(Memory Element with Reduced-Current Phase Change 201103180 P970182 30896twf.doc/n
Element),美國專利申請號 n〇.12/023,978,2008 年 8 月 7 日申請,Lung所提出之“具有共平面電極表面之記憶胞裝 置及其方法(Memory Cell Device with Coplanar Electrode Surface and Method),,。 由習知相變記憶胞結構引起的特定議題是與相變材 料接觸之電極的散熱(heat sink)效應。因為相態改變是因為 加熱而發生的結果,電極的熱導率會將熱帶離主動區,造 成需要較高的電流來誘發相變。 較尚的電流準位會造成對記憶胞的電性和機械可靠 度的問題。這些問題包括在相變材料/電極界面之孔洞的形 成,此乃因為在操作期間熱膨脹與材料密度改變所造成機 械應力。 此外,較向的電流準位會導致像局部受熱的問題,此 足以引起電極和相變材料之擴散/反應,且/或造成主動區 内相變材料的組成改變,這導致電阻性切換效能衰減以及 記憶胞的故障可能。 〜因此,不同技術被運用來嘗試將主動區進行熱隔離, 使得誘發相變所需的電阻性加熱被侷限在主主動區。 、改進熱隔離的一個方式包括使用鄰近於相變材料的空 隙或孔洞。參考美國專利號No. 6,815,704,公告於2004 年11月9日,Chen所提出之“運用熱絕緣孔洞的相變記憶 體裝置(Phase Change Memory Device Empl〇ying ThermaUy
Insulating Voids),,。 也有人提出使用熱絕緣材料,以改進對主動區之加熱 束缚。例如,參考美國專利申請號Ν〇· 11/94〇,164,勘'7 201103180 P970182 30896twf.doc/n 年11月14曰申請,Chen提出之“包括熱保護底電極之相 變記憶胞及其製造方法(Phase Change Memory Cell
Including Thermal Protect Bottom Electrode and Manufacturing Method)’’。 改進熱隔離的另一方式是包括以將主動區與電極隔 開之方式來形成相變材料和電極。參考下面本申請案之受 讓人所共有之申請案,美國專利申請案No. 11/348,848, 2006年9月7日申請’ Chen等人提出之“I型相變記憶胞 (I-Shaped Memory Cell)” ;美國專利申請案 No. 11/952,646,2007年12月7日申請,Lung提出之“具基本 上相同熱阻抗之界面結構的相變記憶胞及其製造方法 (Phase Change Memory Cell Having Interface Structures with Essentially Equal thermal Impedances and
Manufacturing Methods);美國專利申請案 No. 12/026,342, 2005年2月5曰申請,Chen提出之“加熱中心pc記憶體 結構和製造方法(Heating Center PCRAM Structure and Method for Making)”。 因此’有機會來設計相變記憶胞結構,其需要一小量 電流來誘發主動區中的相變。此外,也需要提供製造此裝 置之方法。 【發明内容】 在此描述具有操作電流的相變記憶胞。此處描述的記 憶胞降低從記憶體元件的主動區抽離的熱量,有效地增加 主動區内每單位電流值所產生的熱量,並且降低誘發相變 201103180 P970182 30896twf.doc/n 所需之電流量。 蓋在導電性接觸部上導電,接觸部和包含覆 元件。絕緣元件從導電性“=的:憶體 絕緣元件有近端、遠端和用以二元件内’ 近¥電性接觸部。底電極與導電 二 延伸,以在第一二: 是位於内部,自遠端向下 U申彳在第接觸表面與底電極的上表面接 牛:與絕緣元件的遠端分開,並且與記; 表面’第二接觸表面的表面積大於 主動區是在内部之記憶體元件的區域,其中記情體材 料ΐ:Γ個固相之間被誘發改變。如可知悉二動區可 以t成極^、,因而降低誘發相變所需的電流大小。内部 之見度低於記憶體元件和底電極的t度,内部之寬佳 sr开之二小二寺徵尺寸’典型而言該製程為二影製 π,成兄憶胞。寬度的不同將電流集中在位於内 权上种的記憶體元件部分,藉此聲 動 變所需的1流大彳、。 为 此外在些4寸疋實施例中,因為高電阻率,底電極 可以做為加熱器,相較於其他原因產生的,對於一給定的 電流,在絲區引城A的溫度改變,因此改進主&區中 相變的效率。 再者,底電極的小寬度提供經過底電極的高熱阻路 徑,因此限制熱量經底電極而從記憶體元件之主動區流失。 201103180 P970182 30896twf.doc/n 例中延伸至記憶體元件内並且在一些實施 例中具有位在底電極之上表面下的下表面,主動區是 件Γ憶,料的空間内。記憶體元件的剩下部 二。::,t動區提供熱隔離,降低誘發相變所需的電 件區位於内部的上部分並且因而與記憶 體兀=的外表面分離’防止躲主動區祕刻損害問題。 田巴?1元件也可以對主動區提供一些熱隔離。此外,可 以,用賴沈積技術’親緣元件形成在㈣上,故而該 兀度可以非常小。小的厚度增加侧壁絕緣元件之熱 阻’八藉㈣壁絕緣元件限制熱流流出絲區,並且此 有助於將熱流集中於記憶體元件材料内。 曰 本發明之其他觀點和優點可以參考所附圖式、詳細說 明以及申請專利範圍。 【實施方式】 參考圖1至11詳細說明本發明的實施例。 • 圖1繪示—種習知技術之“磨菇狀(mushroom-type),,記 憶胞1〇〇的橫剖面圖,其具有底電極120,經由介電層 而延伸;相變記憶體元件13〇,包含底電極12〇上的一相 變材料層;以及頂電極14〇 ’於相變記憶體元件13〇。介電 層160環繞相變記憶體元件13〇。如可從圖】看出,底電 極120的寬度125小於頂電極14〇和相變記憶體元件13〇 的寬度145。 操作時,頂和底電極140、120上的電壓會誘發—電 流,從頂電極140,經相變記憶體元件13〇,流至底電極 201103180 P970182 30896twf.doc/n 120,或循反方向。 主動區150是指相變記憶體元件13〇的區域,其至少 在兩個固態相之間被誘發而改變。由於不同寬度125和 145’從底電極120到頂電極14〇的電流路徑ι8〇會被集中 在與底電極120相鄰的相變記憶體元件13〇的區域·,這造 成主動區150具有如圖i所示的「磨菇狀」。 故有必要將底電極120的寬度125縮小,以達成具有 經記憶體το件130之小的絕對電流值的較高電流密度。然 而二企圖減少底電極12〇的寬度125會造成底電極12〇和 圮憶體兀件130間的介面128的電性和機械可靠度的問 題’這是因為彼此之間接觸面積小。 操作時,由於寬度125、145的不同,電流集中於底 電極120和相變記憶體元件130之間的接觸表面128 i此 外,如路徑180之箭頭所指示,電流從接觸表面側 擴散並且在相變記憶體元件13〇中垂直擴散。結果,在側 向與垂直方向上,相變記憶體元件13〇中的電流密产 遠離接觸表面128的距離而減少。電流在相變記憮ς現1 130中擴散所導致的電流密度減少,造成需要更高的$ 流’以在主動區中誘發出所要的相變。 電流密度以及在主動區150的中心152產生 、土 於位在主動區150的邊緣154的密度與熱。結果,大 區150的邊緣154被加熱至足夠的溫度以誘發出^動 變’中心152可以感受局部受熱,其足以造成對於^相 100之電性和機械可靠度的問題。 、圮铖皰 這些問題可包含在相變記憶體元件13()和 四%極12〇 201103180 P970182 30896twf.doc/n 間之介面⑶的孔則彡成,縣始於操作朗熱膨服 料密度改變所造成的機械應力。此外,中心152會受^ 部受熱,其足以誘發底電極120材料和相變材料^的擴 散/反應,以及/或可以導致在中心、154處相變材料13 '、 的組成改變。這些’會造成電錄城效能惡化以及 憶胞100的故障可能性。
此外,因為主動區150中相變的發生為受熱的結果, 底電極120和介電110的熱傳導率會將熱從主動區15〇抽 離,並且導狀量的熱損失。高的熱損失造成需要更高的 電流’以在主動區150中誘發所需的改變。 圖2繪示-種習知“柱狀,,記憶胞勘的剖面圖。記憶 胞200包括介電層210中的底電極22〇、底電極22〇上的 相變材料柱230以及相變材料柱23〇上的頂電極24〇。介 電層260環繞相變材料柱23〇。如可從圖式看出,頂和底 電極240、220具有和相變材料柱23〇相同的寬度2乃。因 此,主動區250可以和頂與底電極24〇、22〇隔開,而減少 頂和底電極240、220所造成的散熱(heat sink)效库。献 由於主動區250鄰近介電層施,會有相變材料別、之側 壁到介電層260的熱損失。 相變材料柱230的寬度275期望縮小,以達成具有經 相’菱材料之小的絕對電流值的較高的電流密度。記憶體材 料柱230和頂電極240的形成可以藉由沈積相變材料層和 頂電極材料層’然後再#刻。然而,因為底切似彳及/或過 度餘刻,4造具有小寬度275與過大(aggressive)高寬比的 元件已經有產生問題。這會造成對記憶體材料柱230之側 11 201103180 P970182 30896twf.d〇c/n 壁232 ,_損害,也會引起記憶體材料柱23。和底電極 220之間的對準容忍度問題。 圖3A繪示記憶胞3〇〇的實施例的剖面圖,在此所述 具有操作電流並且和處理上述各種問題。 記憶胞300包括導電性接觸部3〇5,以及覆芸在導電 =觸部305上的可程式化電阻性記憶體元件。導電 觸305耦接s己憶胞3〇〇至底下之如電晶體或二極體的 存取電路(未緣示)。導電性接觸部3〇5包含财孰金屬,例 如實施例所示_。其他可使用的金屬包含Ti、論、Α卜 T: Cu、Pt、lr、La、Νι和RU。其他接觸結構和材料可以 被使用做為井。舉例來說’導電性接觸部3仍可以是石夕, = 換雜半導體材料’其為—存取電晶體或二極體的 >及極或源極區。 記憶體元件330包括可程式化電阻性 且可包含如選自於 Zn、丁 0'T1、Ge、Sb、Te、Se、in、Ti、
Ga、Bi、Sn、Cu、Pd、Pb、Ag、s、Si、〇 p、As N*
Au所構成群組的一或多個材料。 記憶胞300也包含-個管狀絕緣元件35〇,立自導電 性接觸部305延伸到記憶體元件33()。絕緣元件^有一 ,端256和遠端35卜近端256鄰近導電性接觸部3〇5。絕 ,凡件350也有-用以界定出内部的内表面354。絕 緣tl件350包含介電材料,而在例示實施例中包含彻3。 ^外,絕緣元件350也可包含其他像叫或_的介電材 料0 底電極320接觸導電性接觸部3〇5,並且從近端说 12 201103180 P970182 30896twf.doc/n 在内部360的下部分362向上延伸。絕緣元件之内表 面354延伸超過底電極320的上表面324,以定義内部360 的上部分364。在例示實施例中,上與上部分364、362有 大致相同的寬度366。在此處使用,「大致上」是傾向提供 在形成絕緣元件350期間的製程容忍度。
底電極320有一外表面322,其絕緣元件35〇之内表 面所圍繞。底電極320可包含如TiN或Ta>^在記憶 體元件包含GST (底下會讨論)的實施例中,tin較佳,因 為它可與GST有較好的接觸,GST是半導體製造中所使用 的一般材料,且在較高溫度下提供—個好的擴散阻障,在 此典型的GST轉換是在的範圍。$彳,底電極 320可能是W '娜、TiA1N或TaAm,或者包含一或多個 凡素選自於如由摻雜Si、si、Ge、c、Ge、α、Ti、w、 、CU、Pt、ΐΓ、La、Νί、N、〇、Ru 及其組合 所構成群組之元素。 π绝-圖3B上視圖所不’在例示實施例中底電極320和 j =件320*絕緣元件35〇每個均有圓形剖面。然而, 底,極32。和絕緣元件35。可以分別有截面圓 矩域碰不_形的剖面,端視形成 電極32〇和絕緣元件35〇所用的製程技術而定。 的上;八的剖面圖’s己憶體元件330包含在内部360 第的—部份’其自遠端351向下延伸,以在 ^ 乂 33與底電極320的上表面324接觸。 以連元Γ 330也延伸到絕緣元件350上表面下方, 、巴緣7L件的外表面352’並且具有一下表面 331,其 13 201103180 P970182 30896twf.doc/n =在底電極320的上表面324下方。因此,記憶體 壞繞絕緣元件和底電極320的一部分。 牛 記憶體元件330是在介電層31〇上。例如,介 可包括Si〇2。另外,介電層31〇可包括其他材料曰 記憶胞300也包含頂電極鳩,其藉由記憶體 材=緣元件350的遠端351分開。頂電極340 己體7G件330在第二接觸表面342彼此接觸。
觸表面342的表面積大於第—接觸表面333的表面積了 例如,頂電極340可包括上面討論到關於底電極 的各種材料。在一些實施例中,頂電極340可包括—層以 上。舉例來說,頂電極34〇可包括第一材料,其與^ 元件330接觸,並且選擇與記憶體元件33〇材料相同^材 料,以及第二材料,在第一材料上,並選擇如低阻性等其 他優點的材料。在一些實施例中,頂電極340可包括位元 線的。卩刀。頂電極340和記憶體元件330被介電層370 所圍繞,遠介電層370包括如Si〇2。另外,介電層37〇可 包括其他材料。
。在操作時,頂電極340和底電極320上的電壓會誘發 了電流,該電流沿著自頂電極34〇、流經記憶體元件33〇 並經過接觸表面333、342而到底電極32〇之路徑或反方向 流動。 主動區是在内部360之上部分364中記憶體元件330 的一2分,在此記憶體材料會在至少兩個固態相之間被誘 發改變。如所知悉,在繪示的結構中,主動區可以被形成 相當小’藉以減低引發相變所需之電流大小。内部360的 14 201103180 P970182 30896twf.doc/n f im、rr醜元件330和頂電極340的寬度332, 己憶胞300之一般微·刻製程,寬請 較,疋小於該製程的最小特徵尺寸。寬度332和366之間 =-^部分364内記憶體元件細 流大小。、一 ’糟此減少在主動區引發相變所需的電 i 例中,因為底電極32G的高電阻&, —备做一個加熱器,相較於其他原因產生的, μ a 口^的電流’可在主動區引起較大的溫度改變,藉 此改善主動區中的相變效率。 的古ΐ電極320的小寬度366提供經過底電極320 經’因此限制了經由底電極320從記憶體元 件330的主動區流出的熱流量。 己憶體元件330圍繞絕緣元件350的外表面352 歸:m底電極320的上表面324 ’主動區是在記憶 = 之圮憶體材料的區域内。記憶體元件33Θ的剩 供對主動區的熱隔離,其減少引發相變ϋ ;以施例中,記憶體元件330的記憶體材料 率狀態之熱導率⑻,此熱導率小於介電 憶體材料Θ ^37G之熱導率。因此’11由讓主動區在記 體元株urw貫施例中,比起介電材料所提供的,記憶 可以提供給主動區更大熱隔離,因此降低誘發 相變所需要的電流量。 乃知 盥卜’使主動區在内部36㈣上部/分364内並且因此 ^己憶體元件330的外表面分離,防止對主動區的餘刻損 201103180 P970182 30S96twf.doc/n 傷的問題。 絕緣元件350也可以對主動區提供一些熱隔離。此 外’在實施例中,可以使用薄膜沈積技術,將絕緣元件350 形成於側壁上,也因此絕緣元件350的厚度352可以非常 小。小的厚度352增加絕緣元件350的熱阻,其限制熱藉 由絕緣元件350流出主動區’並且藉此有助於將熱集中流 到記憶體元件330的材料内。
圖4到圖9繪示適於製造圖3A-3B的記憶胞300的製 造程序的步驟。 圖4說明形成介電層310於導電性接觸部3〇5的第一 步’其形成犧牲材料層400於介電層300上,並且在材料 層400和介電層310中形成介層窗41〇,介層窗41〇具有 側壁表面414。材料層400包括的材料是可相對於介電層 31〇的材料和後續形成之側壁絕緣元件35〇而被選擇性處 理(例如選擇性蝕刻)的。材料層4〇〇可包括如Si〇2,而介 電層和後續形成的側壁絕緣元件350每一個均可以包括 SiN。
可形成具有次微影蝕刻寬度(sublithographic width) Π6!介層窗410,例如’#由在該層400上形成隔離層, 剩在該_層上形鎌牲層。接著,具有接近於或等於 產罩幕)之最小特徵尺寸之開口的罩幕形成在 ^ f於介層窗彻上。隔離層和犧牲層接 介芦f t 丁ί擇性蝕刻’藉此在隔離層和犧牲層形成 * 並且暴露層_的上表面。移除光罩後’對介層 固仃選擇性底切姓刻,使得隔離層被侧,而犧牲層矛曰口 16 201103180 P970182 30896twf.doc/n
層400保留完整。填入材料接著形成在介層窗内,其因 選擇性底切蝕刻製程導致在形成於介層窗内的埴入&料^ 的自我對準制。接下來,對填人材料進行料向性餘刻 製程以打開介層窗孔,且持續蝕刻直到層4〇〇被暴露於介 層窗下的區域,藉此形成側壁間隙壁,此側壁間隙壁包^ 介層窗内的填入材料。側壁間隙壁具有—開口維= (dmiension),此維度大致上由孔洞的維度決定,並因而$ 以小於微影製㈣最小雜尺寸。接下來,使關壁間隙 壁做為蝕刻罩幕,對層400和介電層310進行蝕刻,藉此 形成介層窗410,其寬度412小於最小微影製程尺寸。隔 離層和犧牲層可以藉由如化學機械研磨法(CMp)之 製程來移除。 一 接著,絕緣材料之層500形成於圖4所示的結構上, 也包3於在介層窗410内,這產生圖5之剖面圖所示的結 才f。如可從圖4看出,層400和介層窗410是共形,而且 ?在側壁414上。層500可以藉由例如化學氣相沉積(CVD) 或原子層沈積(ALD)來形成。 接著,圖5之結構的絕緣材料的層5〇〇被非等向蝕 %以在介層窗410的側壁414上形成絕緣元件350,這 生圖6之剖面圖所繪示的結構。絕緣元件35〇有一内表 面354,用以定義一内部36〇。 接下來,底電極320形成在圖6所示之結構的絕緣元 50的内部内,這產生圖7之剖面圖所示的結構。 320的形成’例如可以在圖6所示的結構上沈積一 S氐电極材料,藉著利用如化學機械拋光(CMP)等的平坦 17 201103180 P970182 30896twf.doc/a 化製程,以暴露出材料曾400的上表面。 接下來,底電極320 #-部分由圖7所示的結構 姓刻’如圖8剖面圖所示,形成具有上表面似的底^ 320,此上表面324低於絕緣元件350的上表面351。 極320 —部分的蝕刻造成内部360的上面部分364自疒= 準於下面部分362中底電極320的剩餘部分。因此,^浐 形成於内部中的記憶體材料便自行對準於底電極32〇。π 接下來,材料層400從圖8所示的結構起被選擇性 蝕刻,以暴露絕緣元件350的外表面352,並且底 的上表面被清理,形成圖9剖面圖所示的結構底H320 貧施例中,材料層400是Si〇2,絕緣元件35〇和層31〇 SiN,選擇性蝕刻是使用如HF等來進行。 … 接下來,相變材料沈積在圖9所示的結構上,頂 $料沈積在相變材料上,並將相變材料和頂電極材料圖案 以分別形成記憶體元件330和頂電極34〇,產生A ^ 的記憶胞300。 圖10是碰電路麵的簡化方制,其包括具有多 數^憶胞的記憶體陣列聰,此處描述之記憶胞具有小 括,己憶體元件,可以程式化到多 *〜、 阻狀悲包括低電阻狀態和高電阻狀態。 兀、,進仃电性通訊,而該些位元線1〇25沿著陣列1⑻5 18 201103180 P970182 30896twf.doc/n 的行而排列,用以對陣列謂5 t的記憶胞禁行讀取和程式 化。 、位址提供到匯流排,再到字元線解碼器和驅動器ι〇ι〇 = 刪。方塊1G3G巾的感測電路(感測放大 裔)和貝機AJ#構於區塊〗_,包括用於讀取和化 模式的及/或電流源,並經由資料匯流排1〇35輕接到 位兀線解碼$。#料是從積體電路刪的輸人/輸出埠並 且經由讀輸人線_而提供,或者是從機體電路1_ 之内部或外部的其他資料源提供到方塊咖的資料輸入 結構。其他電路1〇65也可以包括在機體電路1〇〇〇中,例 = 理^或特殊目的應用電路’或者是提供陣列 菱之系統晶片功能之模組的組合。資料經由資料 從方塊1030中的感測放大器,提供到積體 -路〇的輪入/輸出埠,或者是積體電路1000之内部或 外部的其他資料目的地。 〆 積體電路1000包括控制器1050,用於陣列1〇〇5之圮 憶胞的讀取、重置、重置驗證、設定驗證和設定模式。控 1050在此例中使用偏壓配置狀態機器來實現,並且栌 制偏壓電路電壓與電流源1〇55之施加,這些是用斟 ,1015、位凡線1〇25和某些實施例中的源極線施加包括 =取、設定與重置的偏壓配置。控制器1G5G可以使用本領 殊目的邏輯電路來實現。在其他實施例中,控 包括—般用途處理器,其可在相_積體電路中 以執行電腦程式’來控制元件的操作。在另外其他 貝%例中’可以利用特殊目的邏輯電路與一般用途處理器 19 201103180 P970182 30896twf.doc/n 的組合’來實施制器1050。 如圖11所示,陣列1〇〇5的每個記憶胞包括存取電晶 體(或其他存取元件,如二極體)以及相變記憶體元件。= 11繪示四個記憶胞113〇、1132、1134、1136,各自具有纪 憶體元件1140、1142、1144、1146,其代表可包括^百^ 6十憶胞之陣列的一小部分。記憶體元件可被程式化到多數 個電阻狀態’此電阻狀態包括低和高電阻狀態。 »己I"思胞1130、1132、1134、1136的各個存取電晶體的 源極共同地連接到源極線1154 ’此源極線終止於源極線終 端電路1155 例如接地端。在其他實施例中,存取元件的 源極線並沒有電性連接,但可獨立控制。源極線終端電路 1155包括偏壓電路,例如在一些實施例中像用以施加接地 以外的偏壓配置給源極線1154的電壓源與電流源、以及解 碼電路。 包含字元線1156、1158的多數條字元線在第一方向 上平行延伸。字元線1156、1158與字元線解碼器1〇1〇電 性通訊。記憶胞1130、1134之存取電晶體的閘極連接到字 元線1156,而記憶胞1132、1136之存取電晶體的閘極共 同地連接到字元線1158。 包括位元線1160、1162的多數條位元線在第二方向 上平行延伸’並且與位元線解碼器1〇2〇於電性通訊。在例 示實施例中’每個記憶體元件被排列在對應存取元件之汲 極與對應位元線之間。另外,記憶體元件也可位於對應存 取元件的源極侧。 可理解的是記憶體陣列1〇〇5不侷限在圖11所繪示的 20 201103180 P970182 3 0896twf.doc/n 陣列結構’也可以使用其他的陣列結構。此外,除了 M〇s 電晶體’在某些實施例中雙載子電晶體或二極體可以當作 存取元件。 在操作中,陣列1005中的每個記憶胞儲存與對應季 記憶元件之電阻有關的資料。例如,資料值的決^可=由 感測電路1030的感測放大器,對被選擇之記憶胞的位元線 上的電流以及一合適的參考電流進行比較。參考電流可以 建^成電流的一預定範圍是對應到邏輯“ 〇,,,而電流的一相 # J範圍是對應到邏輯T。在具有三或更多狀態的記憶胞 :,參考電流可以建立成位元線電流的不同範圍對應到該 三或更多狀態的每一個狀態。 一人 讀取或寫入一陣列1005的記憶胞可藉由施加一合適 =電麗給字元線1156、1158其中之一並且將位元線腸、 士 2其中之一耦接到一電壓來達成,使得電流流過選擇的 意胞。例如,經一選擇之記憶胞(在此例中記憶胞ιΐ32 ^對應的記憶元件1148)的電流路徑謂,可藉由 # 仏線·、字元線⑽與源極線1154來建立,^ 1,壓足以將記憶胞丨132之存取電晶體導通,並且在路徑 0誘發電流,使之從位元線116〇流到源極線1154,或 決^方向。所施加的電壓的準位與期間由所執行的操作來 ㈣ί記憶胞1132的重置(抹除)操作,字元線解碼器麵 ς予兀線1158-合適的電壓’以導通記憶胞⑴〗的存 ^晶體。位元線解碼器丨㈣提供具有合適振幅(大小) …月間的-或多個電壓脈衝到位元線腳,以誘發電流流 201103180 P970182 30896twf.doc/n 經記憶體元件1148,藉此將主動區之至少一部分的溫度提 高到相變材料的轉態溫度以上並且也高於融化溫度,以使 主動區的至少一部分處於液態。電流之後終止,例如藉由 終止位元線1160上的電壓脈衝以及字元線1158上的電 壓,造成相當快的猝冷時間,讓主動區快速冷卻以穩定到 非晶相。 在記憶胞1132的讀取(或感測)操作時,字元線解碼器 1010提供字70線1158—合適的電壓來導通記憶胞1132的 存取電晶體。位元線解碼器1120提供具有合適振幅(大小 與期間的-電壓到位元線116G ’以誘發電流流動,該電流 不會造成記憶體元件U48經歷電阻狀態的改變。位元線 聽上和、經過記憶體元件1148的電流是與記憶胞1132之 5己憶凡件1148之電阻有關’也因此與記憶胞1132之 元件1148相關的資料狀態有關。因此,記憶胞1132資&
狀態之決定,可例如由感測放Α||對位元線上的電 與合適的參考電流進行比較。 电,,L ⑹πίϊΐ胞η%的設定(或程式化)操作,字元線解碼哭 :提供字元線⑽-合適的電壓,以導通記憶胞^ 電Μ。位元線解碼11 _供應具有合適振幅(大 電壓到位元、線_,以誘發流經記憶元件 1148之電流’藉此將主動ρ夕石| 變材料的轉態溫度以上,^主=部分的溫度提高到相 =晶相的轉態’此轉態降低記憶體元件⑽電::: 5己fe胞1132設定到所要狀態。 將 此處描述之記憶體元件的記,隨材料的實施例包括 22 201103180 P970182 30896twf.doc/n 相k§己憶體材料,其包括硫屬化合物材料和其他材料。硫 屬元素包含氡(0)、硫(S)、;ε西(Se)和碲(Te)四種元素的任一 個,形成週期表VIA族的一部分。硫屬化合物包括硫族元 素和較電正性元素或自由基的化合物。硫屬化合物合金包 括硫屬元素和其他像過度金屬之材料的組合。硫屬化合物 合金通常包含一個或多個來自元素週期表的IV A族之元 素’如鍺(Ge)和錫(Sn)。通常,硫屬化合物合金包括含一 或多個銻(Sb)、鎵(Ga)、铟(In)和銀(Ag)的組合。很多相變 記憶體材已經描述在技術文獻中,包括Ga/Sb、In/Sb、
In/Se、Sb/Te、Ge/Te、Ge/Sb/Te、In/Sb/Te、Ga/Se/Te、 Sn/Sb/Te、In/Sb/Ge、Ag/In/Sb/Te、Ge/Sn/Sb/Te、Ge/Sb/Se/Te 和Te/Ge/Sb/S。在Ge/Sb/Te合金族中,一大範圍的合金的 組成是可行的。此組成可被特徵化為TeaGebSb1()(Ka+b)。研 究人員已經描述最有用的合金是在沈積材料中Te之平均 濃度為正好70%以下,典型是低於60%,且範圍一般從最 低大約23%至58%的Te,較佳是約48%到58%的Te。Ge 的濃度在大約5%以上,並且在材料中的範圍平均是自最 低8%到大約30%,剩下的一般在50%以下。較佳來說, Ge濃度範圍自大約8%到大約40%。在此組成中主要構成 元素的剩餘部分是Sb。這些百分比是原子百分比,總構成 元素的原子是 100%。(Ovshinsky,112 專利,col. 10-11)。 其他研究員所評估的特定合金包括Ge2Sb2Te2、GeSb2Te4 和 GeSb4Te7 (Noboru Yamada, “Potential of Ge-Sb-Te-Phase-Change Optical Disks for High-Data-Rate Recording,’,SPIEv.3109, pp.28-37(1997))。更一般地,如鉻 23 201103180 P970182 30896twf.doc/n (Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、銳(Nb)、鈀(pd)、始(Pt)和混合物或 其合金的過渡金屬,可以和Ge/Sb/Te結合以形成具有可程 式化電阻特性之相變合金。在欄U43,〇vshinsky ‘ 112給 出了可能有用的記憶體材料的特定例子。 在一些實施例中,硫屬化合物和其他相變材料以雜質 進仃摻雜,以修正導電率、轉移溫度、融化溫度以及使用 摻雜硫屬化合物之記憶體元件的其他特性。用來摻雜硫屬 化合物的代表性雜質包含氮、矽、氧、二氧化矽、氮化矽、 銅銀、金、銘、氧化、氧化组、t化组、欽 化鈦。例如,參考美國專利號N〇 6,8〇〇,5〇4和美國專利 申請公開號No. 2005/0029502,在此一併列入參考。 相,合金能夠在記憶胞的主動通道區中以其局部秩 序’,第-結構狀態與第二結構狀態之間切換,其中 了狀=下材料是-般非結晶固態相,而在第二狀「態下材料 =-般結晶固態相。這些合金至少是雙穩態。非結晶一^ 在此是代表相對較少秩序的結構,比單晶更失庠 (chsorder) ’其所具有可_特性細如比結晶高 2構是代表相對更有秩序的結構, =的電f率。典型地,在橫跨完全非結晶態與 5、二頻4 ’相赌料可於局部秩序的相異可偵測狀綠二 換。受非結晶和結晶雛 ^的固切換1者是切換成二或更多固 以&供凡全非結晶和完全結晶狀態之間的灰階。材^斗 24 201103180 P970182 30896twf.doc/n 的電性特性可因此改變。 相變^可巧施加電脈衝,而從—相態改變到另一 變到-般非法曰狀離,二 衝會將相變材料改
材料改變至—般結晶狀態。較短、較高振福的 南以讓結晶結構_結被破壞,並且足夠短以防止原子重 新排列成結晶狀態。適當的脈衝輪廓(proflle)不需要過度 實驗便可以被決定,特別翻於特殊相變合金。在接下來 揭露中’相變材料被稱為GST ’且可理解的是其他類型的 相變材料也可以使用。在此描述之對於pcRAM實施有用 的材料是Ge2Sb2Te5。 ' 其他可程式化電阻性記憶體材料可以使用在本發明 之其他實施例,其包括使用不同結晶相變以決定電阻的材 料,或其他用電脈衝來改變電阻狀態的其他記憶體材料。 例子包括使用於電阻隨機存取記憶體的材料,如包含氧化 鎢(WOx)、NiO、Nb205、Cu02、Ta205、A1203、CoO、Fe203、
Hf〇2、Ti〇2、SrTi〇3、(BaSr)Ti03 等之金屬氧化物。其它 例子包括用於磁阻隨機存取記憶體(mram)的材料,如自 旋力矩轉移(spin-torque-transfer) MRAM,材料例如是
CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe、MnAs、MnBi、
MnSb、Cr02、MnFe203、Fe0Fe205、Ni0Fe203、MgOFe2、
EuO和YsFesO】2的至少其中之一。又例如,美國專利公開 號No.2008/0176251,其發明名稱「磁性記憶體元件及其 製造方法(Magnetuc Memory Device and Method of
Fabricating the Same)」,在此一併提出作為參考。其他例子 25 201103180 P970182 30896twf.doc/n 包括使用在可程式化金屬化記憶胞 (programmable-metallization-cell,PMC)記憶體,或奈米離 子記憶體(nanoionic memory)的固態電解質材料,如摻雜銀 的硫化鍺電解質和摻雜銅的硫化鍺電解質。又,例如,N.E.
Gilbert 等人在 Solid-State Electonic 49 (2005) 1813-1819 中所發表的“A macro model of programmable metallization cell devices”,在此也一併列入參考。 一個形成硫屬化合物材料的範例方法是,在1 mTorr〜lOOmTorr壓力下,以Ar、N2及/或He的氣體源, _ 使用PVD漸鍍或磁控濺鍍方法。沈積通常在室溫下完成。 可以使用具有高寬比1-5之準直器來改善填充效能(flll_in perf0rmance)。為了改善填充效能,通常也使用數1〇伏特 到數百伏特的直流偏壓。另一方面,直流偏壓和準直器可 以同時使用。 一個形成硫屬化合物材料的範例方法是使用化學氣 才=沈積法(CVD) ’如美國專利公開號N〇.2006/0172067, 發明名稱為“硫屬化合物材料的化學氣相沈積(chemicai por Deposition 0f chalcogenide Materials)”,在此一併列 鲁 入參考。 y_ ,真空或N2環境下的後沈積回火處理是選擇性執 “、藉以改進硫屬化合物材料的結晶狀態。回火時間少於 30分時,回火溫度一般範圍是100。(:到40〇。〇 、 【圖式簡單說明】 圖1繪示習知技術之“磨菇狀,,記憶胞的剖面圖。 26 201103180 P970182 30896twf.doc/n 圖2繪示習知技術之“柱狀,,記憶胞的剖面圖。 圖3A、3B分別繪示此處描述之記憶胞之實施例的剖 面圖和上視圖。 圖4到9繪示適於製造圖3A-3B之記憶胞的製程步 驟。 圖10是積體電路之簡圖,其可實施此處描述的記憶 胞。 圖11是圖10之積體電路的記憶體陣列的部分實施例 的不意圖。 ' 【主要元件符號說明】 100 記憶胞 110 介電層 120 底電極 125 底電極寬度 128 接觸面 130 相變記憶體元件 140 頂電極 145 頂電極寬度 150 主動區 152 主動區中心 154 主動區邊界 160 介電層 180 200 電流路徑 柱狀記憶胞 205 、導電性接觸部 210 介電層 220 底電極 230 相變記憶體元件 232 介電層側壁 240 丁頁電極 250 主動區 256 近端 260 介電層 275 300 柱狀寬度 • §己憶胞 305 :導電性接觸部 27 201103180 P970182 30896twf.doc/n 310 :介電層 322 ·底電極之外表面 330 :電阻記憶體元件 332 :頂電極寬度 340 :頂電極 350 :絕緣元件 352,絕緣元件外表面 356 :近端 362 :底電極底面部分 366 :頂電極寬度 380 :電流路徑 4〇〇 :犧牲材料層 412 :橫截面寬度 500 :絕緣材料層 1000 :積體電路 i〇io:字元線解碼器 1020 :位元線解碼器 320 底電極 324 底電極上表面 331 絕緣元件下表面 333 接觸表面 342 第二接觸表面 351 遠端 354 絕緣元件内表面 360 内部 364 s己憶元件上面部分 370 介電層
1030 1045 1055 1060 方塊 資料輪出線 偏壓電路電壓與電流源 410 ·介層窗 414 :介層窗側壁表面 1005 :記憶體陣列 1015 :字元線 1025、1035 :資料匯流排 1040 :資料輪入線 1050 ··控制器
位址 1130、1132、 1146、1148、 1065 :其他電路 1134、1136 :記憶胞 U52、115〇 :記憶體元件 1154 :源極線 1155 :終端電路 1156、1158 :字元線 1160、1162 :位元線 1180 :電流路徑 28
Claims (1)
- 201103180 P970182 30896twf.d〇c/n 、申請專利範圍·· 種記憶體裝置, 導電性接觸部; 七 1. 包括 一記憶體元件,包括一。σ、 可姉b電阻記憶體材科覆憶體材料,該 内,該絕緣元件具有',,伸到該記憶體元件 内表面用叹義—内部和-内表面,其中該 部;以及 ㈣料於_電性接觸面 -底電極’與該導電性接觸 從該近端向上延伸,錢内部中之該記憶體中 向下延伸,該記憶體元件.^ α 攸該m端 的^上表面接觸。 弟—接觸表面與該底電極 記^元1項所述之記憶體裝置,其中該 該内部中的該記憶體元件:斤秕之d 體骏置,其中在 4·如申疋自行對準於該底電極。 内部具有1 月度,^寬总1項所述之記憶體裳置,其中該 徵尺寸麟形成該記最傾徵尺寸,該最小特 -頂電極,抛置,更包括 離,並且與該記憶的該遠端分 第二接觸表面的表面積大轉中該 29 201103180 P970182 30896twf.doc/a 6·如申請專利範圍第1項所述之記憶體裴置,复 材料’該材料的熱導率低於該絕緣元; 7. 如申睛專利範圍第1項所述之記憶體裝置,复 内部在該近端與該遠端具有大致相同的寬度。/、 h 8. —種製造記憶體裝置的方法,包括: 形成一導電性接觸部; =成-絕緣树’其中該絕緣元件具有—近端、—土 内表面,該内表面用以定義一内部,而該近端鄰5 s亥導電性接觸部; 见鳊岫近 且在二電卜極1該導電性接觸部接觸,並 面;以^中心近端向上延伸,該底電極具有一上表 在該絕緣元件上,形成一記憶體元件,該 匕括可程式化電阻記憶體材料,其中 ^門二件 Φ 中,以力\卜表面,並且在從該遠端向下延伸的該内部 9如由I—接觸表面,與該底電極的該上表面接觸。 方法,·ΑΦ巾f專職自第8項所述之製造記龍裝置的 底電極的2=件具有一下表面,該下表面位於該 方法^請專利細第8項騎之製造記紐裝置的 其中形成該底電極包括: -底^觀緣元狀該喊面収__部中,填入 坻电極材料;以及 ,τ丹 使該内部的一上部分,移除該底電極材料,以形成該 30 201103180 P970182 30896twf.doc/n 底電極。 11. 如申請專利範圍第8項所述之製造記憶體裝置的 方法,其中該内部具有一寬度,該寬度小於一最小特徵尺 寸,該最小特徵尺寸用於形成該記憶體裝置之一微影製程。 12. 如申請專利範圍第8項所述之製造記憶體裝置的 方法,更包括: 形成一頂電極,藉由該記憶體元件,與該絕緣元件的 該分離,並且與該記憶體元件接觸於一第二接觸表面,其 中該第二接觸表面的表面積大於該第一接觸表面的表面 積。 13. 如申請專利範圍第8項所述之製造記憶體裝置的 方法,其中該記憶體元件包括一材料,該材料的熱導率低 於該絕緣元件之材料的熱導率。 14. 如申請專利範圍第8項所述之製造記憶體裝置的 方法,其中該内部在該近端與該遠端具有大致相同的寬度。 15. 如申請專利範圍第8項所述之製造記憶體裝置的 方法,其中形成該絕緣元件包括: 形成一第一材料層,並且在該第一材料層上形成一第 二材料層; 在該第一和該第二材料層中,形成一介層窗,以暴露 該導電性接觸部,其中該介層窗具有一側壁;以及 在該介層窗的該側壁上,形成該絕緣元件。 16. 如申請專利範圍第15項所述之製造記憶體裝置 的方法,其令在該介層窗的該側壁上形成該絕緣元件,包 括: 31 201103180 P970182 30896twf.doc/n 在該介層窗中並包含在該介層窗的該側壁上’沈積一 絕緣材料的一層;以及 非等向性钕刻該絕緣材料。 如申請專利範圍第15項所述之製造記憶體裝置 的方法,其中形成該底電極和形成該記憶體元件包括: 在由該絕緣元件之該内表面所定義的該内部中,填入 一底電極材料;從該内部的該上部分’移除該底電極材料,以從剩下 的底電極材料形成該底電極; 、移除该第二材料層,以暴露該絕緣元件的該外表面; 隹該内部的該上部分上與在該絕 表面上,沈積一記憶體材料。 方法睛專利範圍第8項所述之製造記憶體裳置 -中形成該絕緣元件和形成該底電極包括: 二介層窗的-㈣上,形成該絕緣元件; 底電極材^=_咖’的該内部,填入·從該内部的該上部分,移除 底電極材料,形成該底電極,、“極材料’以從糊 ^ 一種記憶體裝置,包括: -管狀絕緣元件,具有一内表面啟 面用以定義一内部; /、外表面,該内、 二第—電極’位於該内部的-下部分内. —記憶體元件,包括可程式化, 料化電阻§己憶體材料,位方 32 201103180 P970182 30896twf.doc/n 該内部的一上部分,該内部的該上部分是在一第一接觸表 面與該第一電極的該上表面接觸,該記憶體元件在該上部 分内具有一主動區;以及 一第二電極,與該記憶體元件接觸於一第二接觸表 面。 20.如申請專利範圍第19項所述之記憶體裝置,其中 該記憶體元件圍繞該管狀絕緣元件的該外表面。
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