本發(fā)明涉及一種固態(tài)儲存元件，特別涉及一種具有相變材料儲存單元的固態(tài)儲存單元。

背景技術(shù)：

固態(tài)相變材料，例如硫族(chalcogen)元素(vi族元素，例如硫(sulfur，s)、硒(selenium，se)和碲(tellurium，te))與鍺(germanium，ge)、砷(arsenic，as)、硅(silicon，si)和銻(antimony，sb)其中至少一的合金的硫族化合物(chalcogenides)，目前已為該技術(shù)領(lǐng)域所熟知。硫族化合物是以至少兩種可歸類的固態(tài)結(jié)晶形態(tài)(classifiablesolidstates)存在。最極端的兩種結(jié)晶形態(tài)可以簡單地分類為結(jié)晶態(tài)(crystallinestate)和非晶態(tài)(amorphousstate)。其他不易被歸類的結(jié)晶形態(tài)則位于這兩種結(jié)晶形態(tài)之間。非晶態(tài)具有不規(guī)則的原子結(jié)構(gòu)。結(jié)晶態(tài)一般為多晶相(polycrystalline)。每一種結(jié)晶型態(tài)都有非常不同的電性。當(dāng)在非晶態(tài)時，有一些硫族化合物的電阻率(resistivity)會高到可視為絕緣體，也就是會使電路斷開(opencircuit)。當(dāng)在結(jié)晶態(tài)時，同樣的材料具有較低的電阻率，可用來作為電阻(resistor)。這些材料的阻值在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間的變化高達(dá)6個數(shù)量等級。

將硫族化合物加熱一段時間，可使其從第一種結(jié)晶型態(tài)(例如，非晶態(tài))轉(zhuǎn)換至第二種結(jié)晶型態(tài)(例如，結(jié)晶態(tài))。再加熱至另一個特定的溫度并維持一段給定時間，其結(jié)晶型態(tài)會從第二種結(jié)晶型態(tài)反轉(zhuǎn)回第一種結(jié)晶型態(tài)。因此相變材料可以選擇性地進(jìn)行設(shè)定(set)與復(fù)位(reset)操作。如同其他具有兩個或更多可辨別和可選擇狀態(tài)的材料，這兩種穩(wěn)定的結(jié)晶型態(tài)可以指定其中一個為邏輯的1另一個為邏輯0。故而硫族化合物可以用來制作儲存元件，特別是非揮發(fā)性的儲存元件，例如儲存單元儲存介質(zhì)。

對于良好的儲存元件來說，儲存材料必須在相對高的結(jié)晶溫度且能迅速結(jié)晶，并在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間表現(xiàn)出較高的電阻率差額。迅速結(jié)晶可提供快速的設(shè)定時間。結(jié)晶溫度越高則具有越高的數(shù)據(jù)保存(dataretention)能力。電阻率差額越高越容易分辨不同結(jié)晶型態(tài)之間的分別。因此理想上，這個材料需要在結(jié)晶態(tài)時為短路(short)或是開啟(on)狀態(tài)，在非晶態(tài)時為開路(open)或是關(guān)閉(off)狀態(tài)；而且一直到被人為地重新結(jié)晶為止，都必須停留在非晶態(tài)。特別是對具有數(shù)百萬甚至數(shù)十億的單一儲存單元的大容量儲存應(yīng)用中，理想的硫族化合物寫入操作，需要相對較少的電流或幾乎無需電流，消耗相對較少的電能。想要減少寫入電能，需要在低熔點時具有最小熱傳導(dǎo)率；而想要減少寫入電流，則需要將焦耳熱電阻率最大化。然而，上述的優(yōu)良特性通?？缭搅瞬煌嘧儾牧项I(lǐng)域中的不同范圍，該領(lǐng)域中并沒有單獨一種材料適合所有的應(yīng)用，特別是大量儲存單元(massstoragecells)的應(yīng)用。

因此，有需要改善相變儲存材料的儲存特性。特別是使相變儲存材料具有小電阻的漂移、設(shè)定狀態(tài)和復(fù)位狀態(tài)之間明顯不同、具有較長的數(shù)據(jù)保存時間，特別適用于高密度儲存應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的特征是一種具有良好儲存特性的儲存元件；

本發(fā)明的另一個特征是一種具有復(fù)合儲存區(qū)域的相變儲存元件。其中，此復(fù)合儲存區(qū)域具有低電阻飄移系數(shù)(resistancedriftcoefficient)、較長數(shù)據(jù)保存時間，并具有較高復(fù)位/設(shè)定比(reset/setratio)；

本發(fā)明的又一個特征是一種具有多個串聯(lián)儲存區(qū)域的復(fù)合儲存區(qū)域的相變儲存元件。其中，此多個串聯(lián)儲存區(qū)域結(jié)合了較低的電阻飄移系數(shù)、較長的數(shù)據(jù)保存時間、較高的復(fù)位/設(shè)定比等特性，且不需要感測讀取電路(sensitivereadcircuits)或感測放大器(senseamplifiers)即可增進(jìn)讀取效能。

本發(fā)明是有關(guān)于一種相變儲存元件、包含此相變儲存元件的集成電路芯片以及制作包含此相變儲存元件的集成電路芯片的方法。此相變儲存元件包括一種具有不同相變材料的多個(例如兩個)相變區(qū)域的相變儲存區(qū)域。此相變儲存區(qū)域串聯(lián)在寫入/讀取線與選擇元件之間。

附圖說明

本技術(shù)的其他層面及優(yōu)點，可參見以下所述的附圖和具體實施方式，其詳細(xì)說明如下：

圖1a至圖1b是根據(jù)一實施例繪示一種具有多種材料的相變儲存元件以及對此相變儲存元件進(jìn)行寫入時的寫入特性。

圖2a至圖2b是繪示使用個別相變材料的相變儲存元件的儲存特性(標(biāo)準(zhǔn)化電阻值與時間的關(guān)系)，用以例示具有多種材料的相變儲存元件的串聯(lián)儲存區(qū)域中不同材料的儲存特性。

圖3是根據(jù)一實施例繪示具有多種材料的相變儲存元件的累加元件儲存性質(zhì)(cumulativedevicestorageproperties)。

圖4是根據(jù)一實施例繪示形成具有多種材料的相變儲存元件的方法。

圖5a至圖5d是根據(jù)一實施例繪示形成串聯(lián)儲存區(qū)域的工藝結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖6是繪示所形成的復(fù)合儲存區(qū)域的立體圖。

圖7a至圖7c是根據(jù)第二實施例繪示形成串聯(lián)儲存區(qū)域的工藝結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖8是繪示在經(jīng)過后段工藝(backendoftheline，beol)和芯片定義(chipdefinition)之后，所形成具有完整集成電路芯片的晶圓。

100：相變儲存元件102：選擇元件

104：復(fù)合儲存區(qū)域104r：整體電阻值

104d、106d、108d：電阻飄移系數(shù)

104t、106t、108t：數(shù)據(jù)保存時間

104p、106p、108p：相變材料的元件的儲存特性

104s、106s、108s：設(shè)定電阻值

104r、106r、108r：復(fù)位電阻值

106：區(qū)域108：區(qū)域

110：寫入/讀取線112：選擇線

120：寫入特性122：溫度

124：時間126：環(huán)境溫度

128：結(jié)晶溫度130：非晶融點溫度

132：讀取操作134：復(fù)位操作

136：設(shè)定操作142：半導(dǎo)體晶圓

146：定義儲存位置146：形成底部電極

148：形成復(fù)合儲存區(qū)域150：形成上部電極

152：完成集成電路芯片200：底部電極

202：絕緣體204：絕緣層

206：溝道208：側(cè)壁相變儲存介質(zhì)

210：側(cè)壁相變儲存介質(zhì)的頂部212：勢壘電極

220：開孔222：勢壘電極

232：集成電路芯片230：晶圓

234：芯片電路

具體實施方式

請參照圖1a至圖1b，圖1a至圖1b是根據(jù)一實施例繪示一種具有多種材料的相變儲存元件100以及對相變儲存元件100進(jìn)行寫入時的寫入特性120。具有多種材料的相變儲存單元(元件)100可以包括單一的選擇元件102和多重或復(fù)合儲存區(qū)域104。在本實施例之中，復(fù)合儲存區(qū)域104包括兩個采用不同硫族化合物儲存介質(zhì)(chalcogenidestoragemedia)所構(gòu)成的串聯(lián)區(qū)域106和108。復(fù)合儲存區(qū)域104連接于寫入/讀取線110，例如，位線，與選擇元件102之間。在本實施例中，選擇元件102的另一端接地。雖然，此處所繪示的選擇元件102是一種標(biāo)準(zhǔn)的絕緣柵極(insulatedgate)場效晶體管，但其可以是任何一種適當(dāng)?shù)倪x擇元件，例如二極管、雙載子晶體管(bipolariunctiontransistor，bjt)或場效晶體管。選擇線112用來控制選擇元件102寫入和讀取復(fù)合儲存區(qū)域104的狀態(tài)時的啟閉。

串聯(lián)區(qū)域106和108彼此互補，可使復(fù)合儲存區(qū)域104結(jié)晶迅速，且具有相對高的結(jié)晶溫度，并在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間表現(xiàn)出高度的差異性。例如，第一硫族化合物選擇具有較高結(jié)晶溫度和較長數(shù)據(jù)保存時間的材料，而容許第二硫族化合物的選擇可以不具備這些特性。同時，第二硫族化合物可以選擇具有高復(fù)位/設(shè)定比或關(guān)/開比(off/onratio)(非晶態(tài)/結(jié)晶態(tài)電阻率比)的材料，以補償?shù)谝涣蜃寤衔锏牟蛔?。第一硫族化合物也可以選擇電阻飄移系數(shù)遠(yuǎn)高于第二硫族化合物的材料。總體而言，串聯(lián)區(qū)域106和108的結(jié)合，可以提供復(fù)合儲存區(qū)域104較高的結(jié)晶溫度、較長數(shù)據(jù)保存時間、較高復(fù)位/設(shè)定比以及中等的電阻飄移系數(shù)。

圖1b所繪示的寫入特性120顯示在一段時間124之中，溫度122對復(fù)合儲存區(qū)域104的影響。在一般存取的操作條件下，復(fù)合儲存區(qū)域104是處于環(huán)境溫度126之中。復(fù)合儲存區(qū)域104具有整體的結(jié)晶(或設(shè)定)溫度128和非晶融點(或復(fù)位)溫度130。在一般具有相對較短開啟時間的讀取操作132中，選擇線112開啟選擇元件102，使寫入/讀取線110充電至一個預(yù)充電讀取電壓。讀取操作132雖然某個程度會提高復(fù)合儲存區(qū)域104的溫度，但還不至于改變其晶相狀態(tài)。在復(fù)位操作134中，選擇線112開啟時間更短，同時寫入/讀取線110被固定在一個復(fù)位電壓，以對復(fù)合儲存區(qū)域104進(jìn)行焦耳加熱(iouleheat)至超過非晶融點溫度130，使結(jié)晶區(qū)域轉(zhuǎn)換成非晶態(tài)。同樣的，在設(shè)定操作136中，選擇線112開啟選擇元件102的時間較長，同時寫入/讀取線110被固定在一個設(shè)定電壓，以對復(fù)合儲存區(qū)域104進(jìn)行焦耳加熱至超過整體的結(jié)晶溫度128，使兩個非晶區(qū)域再結(jié)晶。讀取操作、設(shè)定操作和復(fù)位操作對寫入/讀取線110施加的電壓是根據(jù)元件可接受的效能設(shè)計和電路狀態(tài)來決定。

圖2a至圖2b是繪示使用個別相變材料的元件的儲存特性106p和108p(標(biāo)準(zhǔn)化后設(shè)定電阻值與時間的關(guān)系)，用以例示圖1a和圖1b所示的具有多種材料的相變儲存元件100在串聯(lián)儲存區(qū)域106和108中所采用的材料的儲存特性。在一較佳實施例中，儲存區(qū)域108所采用的材料可以是鍺銻碲硅氧化合物(gesbtesio)；儲存區(qū)域106所采用的材料可以是摻雜的鎵銻鍺化合物(gasbge)，較佳是以氧和硅進(jìn)行摻雜。相反地，儲存區(qū)域108所采用的材料可以是鎵銻鍺化合物，而儲存區(qū)域106所采用的材料可以是鍺銻碲硅氧化合物。另外，任何適合的材料都可以用來取代儲存區(qū)域106和108所采用的材料。其中，鍺、銻、碲、硅、氧的比值(ge∶sb∶te∶si∶o)較佳為17.8±0.5∶22.2±5∶41.6±5∶4.4±0.5∶14.0±0.5。鎵、銻、鍺的比值(ga∶sb∶ge)較佳為23∶30∶47。兩種材料標(biāo)準(zhǔn)化后的設(shè)定電阻值(rset)106s和108s都約為1。

儲存區(qū)域106所采用的材料具有相對較高的結(jié)晶溫度和較低的關(guān)閉或復(fù)位溫度，標(biāo)準(zhǔn)化后的復(fù)位電阻值(rreset)106r約為2。因此，儲存區(qū)域106所采用的材料具有相對較低(約為2)的復(fù)位/設(shè)定比，因而具有較敏銳的感測能力或較長的讀取時間或兩者兼具。其對于操作是有利的，因為電阻飄移系數(shù)106d(特性值106p在寫入?yún)^(qū)間中的斜率)相對較高，在1a圖使用較短脈沖所進(jìn)行的讀取操作132中，數(shù)據(jù)保存時間106t較長，約10¹⁰秒或約300年。相反的儲存區(qū)域108所采用的材料具有相對較高的復(fù)位電阻值108r，約為100，以及較佳的復(fù)位/設(shè)定比，約為100。但是，雖然儲存區(qū)域108所采用的材料具有非常低的電阻飄移系數(shù)108d，卻具有較低的結(jié)晶溫度，以及非常少的數(shù)據(jù)保存時間108t，約100秒。儲存區(qū)域106和108所使用的材料兩者都具有對方所想要而又沒有的特性。

圖3是繪示圖1a和圖1b的具有多種材料的相變儲存元件100的累加元件儲存性質(zhì)104p，加上圖2a至第2d圖所繪示的個別串聯(lián)區(qū)域的元件儲存性質(zhì)106p和108p。其中，串聯(lián)區(qū)域108的復(fù)位電阻值108r，因子值較高而主導(dǎo)了位于復(fù)合儲存區(qū)域104中，彼此串聯(lián)的多種相變材料的整體電阻值104r。相同地，至少一直到個別串聯(lián)區(qū)域108所采用的材料開始再結(jié)晶為止，復(fù)合儲存區(qū)域104的復(fù)位電阻值104r都遠(yuǎn)高過其設(shè)定電阻值104s。因此，復(fù)合儲存區(qū)域104具有實質(zhì)近似于串聯(lián)區(qū)域108所采用材料的復(fù)位/設(shè)定比，以及更低的電阻飄移系數(shù)104d。當(dāng)串聯(lián)區(qū)域108所采用的材料開始再結(jié)晶，串聯(lián)區(qū)域106所采用的材料仍維持非晶相，且具有與串聯(lián)區(qū)域108所采用材料相同等級的電阻值。復(fù)合儲存區(qū)域104必須等到更久之后串聯(lián)區(qū)域106所采用的材料已再結(jié)晶后才會完全再結(jié)晶。因此，復(fù)合儲存區(qū)域104展現(xiàn)出較長的數(shù)據(jù)保存時間104t。復(fù)合儲存區(qū)域104由于具有較長的數(shù)據(jù)保存時間104t(106t)、較低的電阻飄移系數(shù)104d和較高的復(fù)位/設(shè)定比，所以較快速且敏銳讀取時間較短。

圖4是根據(jù)一實施例繪示形成圖1a和圖1b的具有多種材料的相變儲存元件100的方法140。在本實施例中，具有多種材料的相變儲存元件100位于集成電路芯片的儲存陣列中。特別的是，在一較佳實施例中，具有多種材料的相變儲存元件100的復(fù)合儲存區(qū)域104，包括由不同硫族化合物儲存介質(zhì)(chalcogenidestoragemedia)所構(gòu)成的多個(至少兩個)串聯(lián)區(qū)域106和108。

儲存單元的形成方法由在半導(dǎo)體晶圓上進(jìn)行的步驟142開始，將晶圓部分地圖案化形成集成電路，例如多個標(biāo)準(zhǔn)的場效晶體管技術(shù)電路或元件，并由一部分的這些電路或元件定義出多個儲存位置(storagelocations)或儲存單元(步驟144)。以下所述的儲存單元形成在兩個導(dǎo)電層之間。此兩個導(dǎo)電層又稱為上下電極層或電極。電路或元件可通過位于此兩個電極層之一或兩者的導(dǎo)線彼此鏈接。因此在步驟146中，形成底部電極。例如，在晶圓表面的導(dǎo)電層中形成儲存陣列的電極陣列。之后，進(jìn)行步驟148，在每一個底部電極上形成復(fù)合儲存區(qū)域104。在步驟150中，當(dāng)在復(fù)合儲存區(qū)域104上形成上部電極之后，即完成儲存元件的制作。在最后的步驟152中，采用標(biāo)準(zhǔn)的后段工藝，將芯片上的電路連接起來，完成集成電路芯片的制備。

圖5a至圖5d是根據(jù)一實施例繪示形成串聯(lián)儲存區(qū)域，例如如圖1a和圖1b所繪示的復(fù)合儲存區(qū)域104的工藝結(jié)構(gòu)剖面圖。圖6是繪示所形成的復(fù)合儲存區(qū)域104的立體圖。其中相同的元件將以相同的元件符號來表示。在定義出選擇元件102之后，在一個合適的絕緣體202中形成底部電極200(繪示于圖6)，使其鄰接或位于選擇元件102之上。例如，底部電極200可以位于第一導(dǎo)線層中、位于上方導(dǎo)線層中或位于特制的底部電極層中。底部電極200是通過適當(dāng)?shù)慕饘俣x步驟所制作而成的適當(dāng)?shù)慕饘賹?，可以是鎢(w)層或氮化鈦(tin)層。在定義底部電極200之后，在晶圓上形成絕緣層204以及穿過絕緣層204的多條溝道206，暴露一部分底部電極200，以用來形成第一儲存區(qū)域106。

在本實施例中，第一儲存區(qū)域106是使用適當(dāng)且已知的側(cè)壁相變儲存介質(zhì)技術(shù)，沿著溝道206側(cè)壁所形成的側(cè)壁相變儲存介質(zhì)208。側(cè)壁相變儲存介質(zhì)，可以依照s.c.laietal.，“ascalablevolume-confinedphasechangememoryusingphysicalvapordeposition，”symposiumonvlsitechnologydigestoftechnicalpapers，ieee2013；以及kwon等人所申請，已公開的編號us2011/0186798美國專利申請案所述的方法來形成。當(dāng)形成并定義第一儲存區(qū)域106之后，以絕緣材料填充溝道206，對晶圓進(jìn)行平坦化，并停止于側(cè)壁相變儲存介質(zhì)208。對側(cè)壁相變儲存介質(zhì)208的頂部210進(jìn)行次刻蝕(subetch)以定義出第一儲存區(qū)域106，并在被次刻蝕的區(qū)域形成勢壘電極(barrierelectrode)212。勢壘電極212可以是任何不與所選用相變材料反應(yīng)的合適金屬。較佳的勢壘電極212是通過沉積和平坦化工藝，例如化學(xué)機械研磨(chemical-mechanicalpolish，cmp)，來形成的鎢或氮化鈦。

接著，通過在勢壘電極212上形成相變儲存介質(zhì)層的方式，形成第二儲存區(qū)域108。再在第二儲存區(qū)域108上形成上部電極或?qū)懭?讀取線110。第二儲存區(qū)域108和相應(yīng)的上部電極110可以被各別定義，或通過同一個步驟來加以定義。

例如，第二儲存區(qū)域108和上部電極110可按照順序先后完成。先形成絕緣層(未繪示)，然后通過屏蔽和刻蝕形成第二儲存區(qū)域108。之后，沉積第二相變儲存介質(zhì)層以填充刻蝕圖案。在使用，例如另一次化學(xué)機械研磨，來移除多余的第二相變儲存介質(zhì)層之后，在第二儲存區(qū)域108上方，通過例如合適的沉積、掩模和刻蝕步驟，形成上部電極110。另外，第二儲存區(qū)域108和上部電極110也可以通過在晶圓上沉積第二相變儲存介質(zhì)層，再在第二相變儲存介質(zhì)層上沉積金屬層來加以定義。之后，通過合適的掩模和刻蝕步驟來定義上部電極110，再以上部電極110為掩模來定義第二儲存區(qū)域108。并在第二儲存區(qū)域108和上部電極110周邊形成絕緣層(未繪示)。

當(dāng)儲存區(qū)域106和108處于結(jié)晶態(tài)，而且沒有非晶區(qū)時，復(fù)合儲存區(qū)域104的累加電阻值104s如圖3所示為最小。當(dāng)對元件施加設(shè)定脈沖后，會將至少一部分的儲存區(qū)域106和108轉(zhuǎn)換成非晶狀態(tài)。當(dāng)讀取操作發(fā)生時，儲存區(qū)域106和108的非晶區(qū)域還是維持非晶狀態(tài)，維持約數(shù)分鐘(例如1分鐘)的時間108t。在時間108t之后，儲存區(qū)域108的非晶區(qū)域會迅速再結(jié)晶。然而在時間108t之后，儲存區(qū)域106的非晶區(qū)域則仍然續(xù)存，且電阻值繼續(xù)增加。因此可使元件具有較長的數(shù)據(jù)保存時間，約10¹⁰秒或約300年。至少一直到設(shè)定脈沖對第二種材料的非晶態(tài)區(qū)域進(jìn)行再結(jié)晶之前，復(fù)合儲存區(qū)域104都可有效地保持沒有開關(guān)(unswitched)的狀態(tài)。

圖7a至圖7c是根據(jù)第二實施例繪示形成串聯(lián)儲存區(qū)域，例如如圖1a和圖1b所繪示的復(fù)合儲存區(qū)域104的工藝結(jié)構(gòu)剖面圖。在本實施例中，復(fù)合儲存區(qū)域104形成在開孔220之中。其中，工藝結(jié)構(gòu)大致與圖5a至圖5d所繪示的類似，因此相同的元件將以相同的元件符號來表示。在定義出選擇元件102、底部電極200和絕緣層204之后，在絕緣層204中形成開孔220。開孔220可以是圓形、正方型或長方形。絕緣層204形成在底部電極200上，開孔220通過刻蝕穿過絕緣層204到達(dá)底部電極200。然后在開孔220中形成第一儲存區(qū)域106、勢壘電極222和第二儲存區(qū)域108。例如沉積每一層，再進(jìn)行刻蝕或化學(xué)機械研磨。在第二儲存區(qū)域108上方定義上部電極110。例如，同樣使用適當(dāng)?shù)难谀：涂涛g。最后，在上部電極110上形成絕緣層(未繪示)。將芯片上的電路連接起來，完成集成電路芯片的制備。

圖8是繪示在經(jīng)過后段工藝和芯片定義之后，所形成具有完整集成電路芯片232的晶圓230。在上部電極110上形成絕緣層(未繪示)之后，使用合適的金屬形成工藝，例如鑲嵌金屬線步驟，依序形成多個金屬導(dǎo)線層。位于最上層的金屬導(dǎo)線將芯片元件連接至芯片電路234，并與芯片電路234整合在一起。

較佳的儲存元件具有一種復(fù)合儲存區(qū)域。此復(fù)合儲存區(qū)域具有較低的電阻飄移系數(shù)、較長的數(shù)據(jù)保存時間、較高的復(fù)位/設(shè)定比，且不需要感測讀取電路或感測放大器即可增進(jìn)讀取效能。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍。