專(zhuān)利名稱(chēng):具有穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器裝置及集成電路的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是有關(guān)于基于硫族化合物(chalcogenide)材料的存儲(chǔ)器裝置及集成電路 的制造方法。
背景技術(shù):
可通過(guò)施加處于適合在集成電路中實(shí)施的電平的電流來(lái)使基于相變的存儲(chǔ)材料 (如基于硫族化合物的材料及類(lèi)似材料)在非晶相與結(jié)晶相之間變相。大體非晶態(tài)的特征 在于電阻率高于大體結(jié)晶態(tài)的電阻率,此可容易被感測(cè)到以指示數(shù)據(jù)。這些特性使人們對(duì) 使用可編程電阻性材料來(lái)形成可用隨機(jī)存取來(lái)讀取及寫(xiě)入的非易失性存儲(chǔ)器電路感興趣。自非晶態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)通常為較低電流操作。自結(jié)晶變?yōu)榉蔷?本文中稱(chēng)之為復(fù)位 (reset))通常為較高電流操作,所述操作包含較短的高電流密度脈沖,以熔化或擊穿結(jié)晶 結(jié)構(gòu)。在此之后,相變材料迅速冷卻,從而使相變過(guò)程驟冷(quenching),并允許相變材料的 至少一部分穩(wěn)定于非晶態(tài)??赏ㄟ^(guò)以下方式來(lái)降低復(fù)位所需的電流的量值減小存儲(chǔ)單元中的相變材料元件 的尺寸及/或電極與相變材料之間的接觸面積,以用經(jīng)過(guò)相變材料元件的較小絕對(duì)電流值 達(dá)成較高的電流密度。研究已進(jìn)行至通過(guò)調(diào)整相變材料中的摻雜濃度并通過(guò)提供尺寸非常小的結(jié)構(gòu)來(lái) 提供以低復(fù)位電流操作的存儲(chǔ)器裝置。尺寸非常小的相變裝置的一個(gè)問(wèn)題涉及耐久性 (endurance) 0具體而言,使用處于設(shè)定狀態(tài)的相變材料制造的存儲(chǔ)單元的電阻可能因相 變材料的成分在裝置壽命期間隨時(shí)間緩慢地變化而漂移。2008年10月2日申請(qǐng)的標(biāo)題為 DIELECTRIC MESHISOLATED PHASE CHANGE STRUCTURE FOR PHASE CHANGEMEMORY 的共同待 決美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第12/286,874號(hào),解決了上文所論述的與相變存儲(chǔ)器的成分在前幾個(gè) 循環(huán)的操作期間的改變有關(guān)的問(wèn)題中的一些問(wèn)題。申請(qǐng)案第12/286,874號(hào)以引用的方式 如同本文中完整陳述一樣并入本文中。此漂移可能引起可靠性問(wèn)題及操作所述裝置所需的控制電路的復(fù)雜性增加。舉例 而言,若電阻在設(shè)定及/或復(fù)位狀態(tài)存儲(chǔ)單元上漂移,則相變速度改變、存儲(chǔ)單元的動(dòng)態(tài)電 阻可能改變、遭遇不同的保持(retention)行為(電阻穩(wěn)定性)等等。這些問(wèn)題的一個(gè)結(jié) 果是裝置上所需要的感測(cè)電路針對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)狀態(tài)必須處理較寬范圍的電阻,此情況通常 導(dǎo)致較低速度的操作。此外,設(shè)定過(guò)程及復(fù)位過(guò)程必須考慮到甚至在單一存儲(chǔ)狀態(tài)內(nèi)存儲(chǔ) 單元的不斷變化的總體狀況(bulk condition),此情況通常導(dǎo)致陣列上的設(shè)定速度及復(fù)位 速度不均勻。因此,需要提供一種在裝置壽命期間具有更穩(wěn)定操作的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
本文描述一種具有在主動(dòng)區(qū)內(nèi)有經(jīng)修改(modified)的化學(xué)計(jì)量的相變材料元件 的存儲(chǔ)器裝置,其不會(huì)展現(xiàn)出現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)器裝置的設(shè)定狀態(tài)電阻的漂移。此外,本文描
4述一種制造存儲(chǔ)器裝置的方法,所述方法包含首先制造包含相變存儲(chǔ)單元的陣列的集成 電路,所述相變存儲(chǔ)單元具有具總體化學(xué)計(jì)量(bulk stoichiometry)的相變材料的主體; 且隨后將成形電流(forming current)施加至陣列中的相變存儲(chǔ)單元,以將相變材料體的 主動(dòng)區(qū)中的總體化學(xué)計(jì)量改變?yōu)榻?jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,所述經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量不同于所述總 體化學(xué)計(jì)量,但并不干擾主動(dòng)區(qū)外部的總體化學(xué)計(jì)量。總體化學(xué)計(jì)量的特征在于主動(dòng)區(qū)外 部的熱力學(xué)條件下的穩(wěn)定性,而經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的特征在于主動(dòng)區(qū)內(nèi)部的熱力學(xué)條件下 的穩(wěn)定性。通過(guò)確立存儲(chǔ)元件中的總體化學(xué)計(jì)量及經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,使存儲(chǔ)單元的設(shè)定 狀態(tài)電阻在存儲(chǔ)單元的壽命期間穩(wěn)定,存儲(chǔ)單元壽命可延長(zhǎng)至數(shù)百萬(wàn)及更多個(gè)設(shè)定/復(fù)位 循環(huán)。用作存儲(chǔ)元件的相變材料的主體采用化學(xué)計(jì)量不均一的穩(wěn)定微結(jié)構(gòu),其在主動(dòng)區(qū)內(nèi) 具有與相變材料的主體的主動(dòng)區(qū)外部出現(xiàn)的原子濃度分布不同的原子濃度分布。相變材料 的主體的化學(xué)計(jì)量變換并非突然的,而是在沿主動(dòng)區(qū)邊界的變換區(qū)上發(fā)生的。變換區(qū)的特 性將根據(jù)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)、所施加的成形電流的類(lèi)型及其它因素而變化。如此處所使用的術(shù)語(yǔ)『化學(xué)計(jì)量』是指一定量的相變材料中的兩種或兩種以上物 質(zhì)之間可(例如)使用能量分散X光光譜學(xué)(energy dispersivex-ray spectroscopy,EDX) 或等效的技術(shù)來(lái)測(cè)量的原子濃度的數(shù)量關(guān)系。在明顯長(zhǎng)于存儲(chǔ)器裝置的操作期間所使用的設(shè)定/復(fù)位脈沖的脈沖來(lái)施加成形 電流。舉例而言,成形電流脈沖可包括單一脈沖或多個(gè)脈沖,其具有大于0.5毫秒的持續(xù)時(shí) 間,諸如1毫秒或更長(zhǎng)。成形電流可具有斜坡式(ramped)后邊緣,以防止修改過(guò)程的快速 驟冷。在代表性實(shí)施例中,陣列中的相變存儲(chǔ)單元在設(shè)定狀態(tài)下具有一電阻,所述電阻 在大于1百萬(wàn)個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)期間電阻變化范圍小于20千歐(kOhms)。已針對(duì)為GexSbyTez摻雜的氧化硅示范了所述方法,GexSbyTez具有χ = 2、y = 2且 ζ = 5的總體化學(xué)計(jì)量,摻雜有10至20原子百分比的氧化硅,且具有y > 2且ζ < 5的經(jīng) 修改的化學(xué)計(jì)量(其中x、y及ζ是以一個(gè)有效位測(cè)量)。所得的裝置示范設(shè)定狀態(tài)下電阻 的穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)性改良。然而,所述過(guò)程可擴(kuò)展至其它硫族化合物材料,其包含具有介電及 主動(dòng)摻雜組成物的材料。本文所描述的制造過(guò)程包含在集成電路上提供電路,以將設(shè)定脈沖及復(fù)位脈沖施 加至存儲(chǔ)單元以寫(xiě)入數(shù)據(jù),且另外在存儲(chǔ)單元的主動(dòng)區(qū)中施加成形電流,以引起主動(dòng)區(qū)內(nèi) 的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量變化。本文所描述的存儲(chǔ)器裝置包括集成電路,其包含相變存儲(chǔ)單元的陣列。陣列中的 存儲(chǔ)單元包含相變材料的主體,所述相變材料的主體在其主動(dòng)區(qū)外部具有總體化學(xué)計(jì)量且 在其主動(dòng)區(qū)內(nèi)部具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量。雖然存儲(chǔ)單元的此狀況在現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)單元中 在許多設(shè)定/復(fù)位循環(huán)之后可能發(fā)生,但本文所描述的集成電路包含電路,而此電路既具 有用以將設(shè)定脈沖及復(fù)位脈沖施加至相變存儲(chǔ)單元的陣列的編程模式,又具有用以將成形 電流施加至相變存儲(chǔ)單元的陣列以將相變材料的主體中的主動(dòng)區(qū)內(nèi)的總體化學(xué)計(jì)量改變 為經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的成形模式。在以下圖式、詳細(xì)描述及權(quán)利要求范圍中可看出所描述的技術(shù)的其它特征、特征 組合、態(tài)樣及優(yōu)點(diǎn)。
圖1為繪示相變存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)狀態(tài)的電阻分布的曲線圖。圖2繪示相變存儲(chǔ)單元的基本結(jié)構(gòu)。圖3為現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)單元的設(shè)定狀態(tài)電阻及復(fù)位狀態(tài)電阻對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù) 目的圖表。圖4說(shuō)明具有在主動(dòng)區(qū)外部具有總體化學(xué)計(jì)量且在主動(dòng)區(qū)內(nèi)部具有經(jīng)修改的化 學(xué)計(jì)量的相變材料的主體的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)。圖5為本文所描述的制造過(guò)程的簡(jiǎn)化流程圖。圖6至圖14說(shuō)明圖5中所描述的制造過(guò)程中所使用的成形電流的替代脈沖形狀。圖15為如本文所述具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的第一實(shí)例存儲(chǔ)單元的設(shè)定狀態(tài)電阻 及復(fù)位狀態(tài)電阻對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的圖表。圖16為如本文所述具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的第二實(shí)例存儲(chǔ)單元的設(shè)定狀態(tài)電阻 及復(fù)位狀態(tài)電阻對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的圖表。圖17為如本文所述具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的第三實(shí)例存儲(chǔ)單元的設(shè)定狀態(tài)電阻 及復(fù)位狀態(tài)電阻對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的圖表。圖18為在主動(dòng)區(qū)中不具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的情況下存儲(chǔ)單元中的相變材料的 主體的原子濃度分布的EDX圖表。圖19為在主動(dòng)區(qū)中具有因成形脈沖而引起的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的情況下,存儲(chǔ) 單元中的相變材料體的原子濃度分布的EDX圖表。圖20為在主動(dòng)區(qū)中具有因1 X 108個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)而引起的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量 的情況下存儲(chǔ)單元中的相變材料的主體的原子濃度分布的EDX圖表。圖21為在主動(dòng)區(qū)中不具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的情況下存儲(chǔ)單元的TEM顯微照片影像。圖22為在主動(dòng)區(qū)中具有因成形脈沖而引起的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的情況下存儲(chǔ)單 元的TEM顯微照片影像。圖23為在主動(dòng)區(qū)中具有因1 X 108個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)而引起的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量 的情況下存儲(chǔ)單元的TEM顯微照片影像。圖24說(shuō)明使用如本文所述在主動(dòng)區(qū)中具有介電網(wǎng)的相變材料的橋型存儲(chǔ)單元結(jié) 構(gòu)。圖25說(shuō)明使用如本文所述在主動(dòng)區(qū)中具有介電網(wǎng)的相變材料的『通孔中主動(dòng) (active in via)』型存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。圖26說(shuō)明使用如本文所述在主動(dòng)區(qū)中具有介電網(wǎng)的相變材料的小孔型存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)。圖27為包含如本文所述的相變存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器陣列的簡(jiǎn)化電路圖。圖28為包含如本文所述的相變存儲(chǔ)單元的集成電路存儲(chǔ)器裝置的簡(jiǎn)化方塊圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明100:低電阻設(shè)定狀態(tài)101 讀取邊限102 高電阻復(fù)位狀態(tài)103 臨界電阻值
110:『傘型』存儲(chǔ)單元
500、1830、1832、1834、1836 存儲(chǔ)單元
111、520、1220、1320、1420 第一電極
112,530 介電質(zhì)
113、516、1840、1842、1844、1846存儲(chǔ)元件
114、、540、1240、1340、1440第二電極
115、260、262、264、510、1210、1310、1410主動(dòng)區(qū)
125菱形樣本
126正方形樣本
200、202 206 正方形脈沖 201 熔化臨界值
207、209、210、211、213、214、215、216、217脈沖
208、212、218后邊緣
225三角形樣本
226:χ樣本
227六點(diǎn)星號(hào)樣本
228圓形樣本
229:+樣本
230樣本
231、241、251暗菱形樣本
232、242、252亮菱形樣本
233、243、253圓形樣本
234、244、254暗三角形樣本 235,240,250 亮三角形樣本 242,252 =Te 261、263、265 底部電極 522 接觸表面
1000 1040 步驟 1200 第二存儲(chǔ)單元
1215介電間隙壁
1216橋型存儲(chǔ)元件
1217寬度
1300 第三存儲(chǔ)單元 1313 其余部分
1316柱形存儲(chǔ)元件
1317寬度 1322 頂部表面 1324 底部表面
1400第四存儲(chǔ)單元
1416小孔型存儲(chǔ)元件
1710集成電路
1712存儲(chǔ)器陣列
1714字線譯碼器
1716字線
1718位線譯碼器
1720、1860、1862 位線
1722總線
1724方塊
1726數(shù)據(jù)總線
1728數(shù)據(jù)輸入線
1730其它電路
1732數(shù)據(jù)輸出線
1734控制器
1736偏壓電路電壓源與電流源
1854源極線
1855源極線終端電路
1856、1858 字線
1880電流路徑
R1 最高電阻
R2 最低電阻
Rsa 臨界電阻值
具體實(shí)施例方式參看圖1至圖28提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述。在相變存儲(chǔ)器中,通過(guò)在相變材料的主動(dòng)區(qū)內(nèi)引起非晶相與結(jié)晶相(其具有顯著 不同的電阻)之間的轉(zhuǎn)變來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。圖1為儲(chǔ)存單一位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)狀態(tài) 的電阻分布的曲線圖,其包含對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)單元的主動(dòng)區(qū)中的主要結(jié)晶相的低電阻設(shè)定(經(jīng) 編程)狀態(tài)100及對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)單元的主動(dòng)區(qū)中的主要非晶相的高電阻復(fù)位(經(jīng)擦除)狀態(tài) 102。為達(dá)成可靠操作,電阻分布必須具有不重疊的電阻范圍。低電阻設(shè)定設(shè)定狀態(tài)100的最高電阻R1與高電阻復(fù)位狀態(tài)102的最低電阻R2之 間的差異定義出讀取邊限(read margin) 101,其用于區(qū)分低電阻設(shè)定狀態(tài)100下的存儲(chǔ)單 元與高電阻復(fù)位狀態(tài)102下的存儲(chǔ)單元??赏ㄟ^(guò)測(cè)量存儲(chǔ)單元的電阻是在讀取邊限101內(nèi) 的臨界電阻值Rsa 103以上還是以下來(lái)判定儲(chǔ)存于存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)。在每存儲(chǔ)單元多個(gè) 位的實(shí)施例中,存在兩個(gè)以上電阻狀態(tài),且其間具有讀取邊限。為了在高電阻復(fù)位狀態(tài)102與低電阻設(shè)定狀態(tài)100之間可靠地進(jìn)行區(qū)分,維持相 對(duì)較大的讀取邊限101是重要的。將存儲(chǔ)單元上的感測(cè)電路設(shè)計(jì)為在所定義的讀取邊限內(nèi) 操作,且較窄的邊限需要較復(fù)雜的電路,且可能導(dǎo)致讀取過(guò)程較慢。此外,基于設(shè)定狀態(tài)及復(fù)位狀態(tài)的電阻分布來(lái)設(shè)計(jì)設(shè)定脈沖及復(fù)位脈沖可以提升系統(tǒng)操作的效率。例如對(duì)于具有 較寬設(shè)定狀態(tài)電阻分布的存儲(chǔ)單元陣列,系統(tǒng)會(huì)需要對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元給予不同的的復(fù)位脈 沖功率來(lái)完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入的動(dòng)作,因而增加系統(tǒng)操作的復(fù)雜度及較長(zhǎng)的操作時(shí)間?;?qū)τ谕?樣具有較寬設(shè)定狀態(tài)電阻分布的存儲(chǔ)單元陣列,系統(tǒng)可以給予同樣而較高的復(fù)位脈沖功率 給所有的存儲(chǔ)單元來(lái)完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入的動(dòng)作以換取較短的操作時(shí)間,但卻會(huì)導(dǎo)致消耗能源的 增加及存儲(chǔ)單元可靠度的下降。較窄的存儲(chǔ)單元電阻分布將可以解決這個(gè)問(wèn)題。圖2說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)『傘(mushroom)型』存儲(chǔ)單元110,其具有延伸穿過(guò)介電質(zhì)112 的第一電極111、包括相變材料的主體的存儲(chǔ)元件113及位于存儲(chǔ)元件113上的第二電極 114。第一電極111耦接至存取裝置(未圖標(biāo))(諸如二極管或晶體管)的端子,而第二電 極114耦接至位線,且可為位線(未圖標(biāo))的一部分。第一電極111的寬度小于第二電極 114及存儲(chǔ)元件113的寬度,從而在相變材料的主體與第一電極111之間形成較小的接觸 面積,并在相變材料的主體與第二電極114之間形成相對(duì)較大的接觸面積,以用經(jīng)過(guò)存儲(chǔ) 元件113的較小的絕對(duì)電流值達(dá)成較高的電流密度。因?yàn)榈谝浑姌O111處的此較小接觸面 積,電流密度在鄰近第一電極111的區(qū)域內(nèi)的操作中為最大,從而致使主動(dòng)區(qū)115具有『傘』 形狀,如圖所示。在所說(shuō)明的存儲(chǔ)單元中,相變材料的主體的總體化學(xué)計(jì)量在主動(dòng)區(qū)115內(nèi) 部及外部是均一的。圖3是在存儲(chǔ)單元(具有耦接至約90納米厚的相變材料的主體的直徑為約50納 米的底部電極)中以如圖2中所說(shuō)明的均一總體化學(xué)計(jì)量開(kāi)始的存儲(chǔ)單元的復(fù)位電阻(菱 形樣本125)及設(shè)定電阻(正方形樣本126)對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的對(duì)數(shù)標(biāo)度圖表。此 圖表顯示,設(shè)定電阻在1X106個(gè)循環(huán)期間向下漂移了超出一數(shù)量級(jí),并繼續(xù)向下漂移至約 1 X 108個(gè)循環(huán),且此后存儲(chǔ)單元出現(xiàn)故障。由于此圖表是對(duì)數(shù)標(biāo)度電阻與循環(huán)數(shù)目,所以 在此圖表中,至約1X106個(gè)循環(huán),不易將復(fù)位電阻的向下漂移與設(shè)定電阻的向下漂移進(jìn)行 比較。然而,至約IX 106個(gè)循環(huán),復(fù)位狀態(tài)的電阻較之設(shè)定狀態(tài)的電阻遭受類(lèi)似或較大量 值的下降。此后,圖表中清楚地繪示出復(fù)位電阻的下降,直至裝置出現(xiàn)故障為止。在此實(shí)例 中,使用3. 5伏特的電源電位來(lái)施加復(fù)位脈沖,同時(shí)將峰值電壓為3伏特的柵極電壓施加至 存儲(chǔ)單元的MOS存取晶體管,所述峰值電壓具有19納秒的上升邊緣、40納秒的水平區(qū)段及 2納秒的下降邊緣。在此實(shí)例中,使用3. 5伏特的電源電位來(lái)施加階躍脈沖(step pulse), 同時(shí)將峰值電壓為1. 6伏特的柵極電壓施加至存儲(chǔ)單元的MOS存取晶體管,所述峰值電壓 具有100納秒的上升邊緣、300納秒的水平區(qū)段及1990納秒的后邊緣。圖4說(shuō)明存儲(chǔ)單元500,其包含延伸穿過(guò)介電質(zhì)530以接觸存儲(chǔ)元件516的底表面 的第一電極520,以及包含位于由相變材料的主體構(gòu)成的存儲(chǔ)元件516上的第二電極540。 存儲(chǔ)元件516中的相變材料的主體在主動(dòng)區(qū)510外部具有總體化學(xué)計(jì)量,且在主動(dòng)區(qū)510 內(nèi)部具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,其中經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量不同于總體化學(xué)計(jì)量。第一電極520及第二電極540可包括(例如)TiN或TaN?;蛘撸谝浑姌O520及 第二電極540可各自為W、WN、TiAlN或TaAIN,或包括(又例如)選自由經(jīng)摻雜的Si、Si、 C、Ge、Cr、Ti、W、Mo、Al、Ta、Cu、Pt、Ir、La、Ni、N、0 及 Ru 組成的群組的一或多種元素及其 組合。在所說(shuō)明的實(shí)施例中,介電質(zhì)530包括SiN?;蛘?,可使用其它介電材料(諸如氧 化硅)。
在此實(shí)例中,存儲(chǔ)元件516的相變材料包括摻雜有10至20原子百分比(at% )的 氧化硅的GexSbyTez材料,其中對(duì)于總體化學(xué)計(jì)量,χ = 2、y = 2且z= 5。對(duì)于此實(shí)例的存 儲(chǔ)單元,針對(duì)主動(dòng)區(qū)中的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,χ = 2、y = 4且z = 4(在一個(gè)有效位的舍入 誤差內(nèi))。亦可使用其它硫族化合物及相變合金材料。如圖中可看出,第一電極520與相變 材料的主體之間的接觸表面522的寬度(其在一些實(shí)施例中為直徑)小于存儲(chǔ)元件516及 頂部電極(第二電極540)的寬度。因此,電流集中于存儲(chǔ)元件516的鄰近于第一電極520 的部分中,從而產(chǎn)生如圖所示的主動(dòng)區(qū)510,在此主動(dòng)區(qū)510中,相變動(dòng)力學(xué)在操作期間受 到限制。存儲(chǔ)元件516亦包含在主動(dòng)區(qū)510外部的非主動(dòng)區(qū)。使用此材料,非主動(dòng)區(qū)保持 于具有較小晶粒尺寸的多晶狀態(tài)。主動(dòng)區(qū)510在富含介電質(zhì)的網(wǎng)(mesh)(未圖示)內(nèi)包括相變材料區(qū)域,如上文 引用的標(biāo)題為 DIELECTRIC MESH ISOLATED PHASE CHANGESTRUCTURE FOR PHASE CHANGE MEMORY的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第12/286,874號(hào)中詳細(xì)描述,所述相變材料區(qū)域是因氧化硅摻 雜與相變合金分離而導(dǎo)致。圖5說(shuō)明用于制造如圖4所示的包括具有總體化學(xué)計(jì)量且在主動(dòng)區(qū)內(nèi)具有經(jīng)修改 的化學(xué)計(jì)量的相變材料的主體的存儲(chǔ)單元的制造過(guò)程的工藝流程圖。在步驟1000處,形成具有接觸表面522的第一電極520,其延伸穿過(guò)介電質(zhì)530。 在所說(shuō)明的實(shí)施例中,第一電極520包括TiN,且介電質(zhì)530包括SiN。在一些實(shí)施例中,第 一電極520的接觸表面522具有亞光刻(sublithographic)寬度或直徑。第一電極520延伸穿過(guò)介電質(zhì)530,至下方的存取電路(未圖標(biāo))。下方的存取電 路可通過(guò)如此項(xiàng)技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)工藝形成,且存取電路的元件的組態(tài)取決于實(shí)施本文所 描述的存儲(chǔ)單元的陣列組態(tài)。一般而言,存取電路可包含存取裝置,諸如晶體管及二極管、 字線及源極線、導(dǎo)電插塞(conductive plug)及半導(dǎo)體基板內(nèi)的經(jīng)摻雜區(qū)???例如)使用如2007年6月18日申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第11/764,678號(hào)中 所揭示的方法、材料及工藝來(lái)形成第一電極520及介電質(zhì)530,所述申請(qǐng)案現(xiàn)為公開(kāi)案第 US2008-0191187 號(hào),其于 2008 年 8 月 14 日公開(kāi),標(biāo)題為『Method for Manufacturing a Phase Change Memory Devicewith Pillar Bottom Electrode』,且以弓|用的方式并入本文 中。舉例而言,可在存取電路(未圖標(biāo))的頂表面上形成電極材料層,隨后使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技 術(shù)使電極層上的光刻膠層圖案化,以便形成覆于第一電極520的位置上的光刻膠掩模。接 下來(lái),使用(例如)氧等離子體來(lái)修整光刻膠掩模,以形成覆于第一電極520的位置上的具 有亞光刻尺寸的掩模結(jié)構(gòu)。接著,使用經(jīng)修整的光刻膠掩模來(lái)對(duì)電極材料層進(jìn)行刻蝕,從而 形成具有亞光刻直徑的第一電極520。接下來(lái),形成介電質(zhì)530并使其平坦化。作為另一實(shí)例,可使用如2007年9月14日申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第11/855,979 號(hào)中所揭示的方法、材料及工藝來(lái)形成第一電極520及介電質(zhì)530,所述申請(qǐng)案現(xiàn)為公開(kāi)案 第 US2009-0072215 號(hào),其于 2009 年 3 月 19 日公開(kāi),標(biāo)題為『Phase Change Memory Cell in Via Array with Self-Aligned, Self-Converged Bottom Electrode and Method for Manufacturing』,且以引用的方式并入本文中。舉例而言,可在存取電路的頂表面上形成介 電質(zhì)530,隨后循序地形成隔離層及犧牲層。接下來(lái),在犧牲層上形成掩模,其具有接近于 或等于形成掩模所使用的工藝的最小特征尺寸的開(kāi)口,所述開(kāi)口覆于第一電極520的位置上。接著,使用掩模來(lái)選擇性地刻蝕所述隔離層及犧牲層,從而在隔離層與犧牲層中形成通 孔(via),并使介電質(zhì)530的頂表面曝露。在移除掩模之后,對(duì)通孔執(zhí)行選擇性底切刻蝕, 使得隔離層被刻蝕,同時(shí)使?fàn)奚鼘蛹敖殡娰|(zhì)530保持完整。接著,在通孔中形成填充材料, 其因選擇性底切刻蝕工藝而導(dǎo)致填充材料中的自對(duì)準(zhǔn)空隙形成于通孔內(nèi)。接下來(lái),對(duì)填充 材料執(zhí)行非等向性刻蝕工藝以打開(kāi)空隙,且刻蝕繼續(xù),直至介電質(zhì)530暴露于空隙下方的 區(qū)域中為止,從而形成包括通孔內(nèi)的填充材料的側(cè)壁間隙壁。所述側(cè)壁間隙壁具有實(shí)質(zhì)上 由空隙的尺寸決定的開(kāi)口尺寸,且因此可小于光刻工藝的最小特征尺寸。接下來(lái),使用側(cè) 壁間隙壁作為刻蝕掩模來(lái)刻蝕介電質(zhì)530,從而在介電質(zhì)530中形成直徑小于最小特征尺 寸的開(kāi)口。接下來(lái),在介電質(zhì)530中的開(kāi)口內(nèi)形成電極層。接著,執(zhí)行諸如化學(xué)機(jī)械拋光 (chemical mechanical polishing, CMP)的平坦化工藝,以移除隔離層及犧牲層且形成第 一電極520。在步驟1010處,在第一電極520及介電質(zhì)530上沉積具有總體化學(xué)計(jì)量的相變材 料的主體(例如,具有10站%至20站%的氧化硅的經(jīng)摻雜Ge2Sb2Te5MW)??赏ㄟ^(guò)在氬環(huán) 境中以10瓦特的DC功率將GSP靶材且以10至115瓦特的RF功率將SiO2靶材共同濺射來(lái) 實(shí)行Ge2Sb2Te5及氧化硅的沉積??墒褂闷渌m合特定相變材料及存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的工藝??蓤?zhí)行任選的退火(未圖示)以使相變材料結(jié)晶。在所說(shuō)明的實(shí)施例中,在氮環(huán) 境中,在300°C下實(shí)行熱退火步驟達(dá)100秒?;蛘撸捎陔S后執(zhí)行以完成所述裝置的后段 (back-end-of-line,BEOL)工藝取決于用于完成所述裝置的制造技術(shù)而可包含高溫循環(huán)及 /或熱退火步驟,因此在一些實(shí)施例中,可通過(guò)以下工藝來(lái)完成所述退火,而并非將單獨(dú)的 退火步驟添加至制造線。接下來(lái),在步驟1020處,形成第二電極540,從而產(chǎn)生圖4中所說(shuō)明的結(jié)構(gòu)。在所 說(shuō)明的實(shí)施例中,第二電極540包括TiN。接下來(lái),在步驟1030處,執(zhí)行后段處理以完成芯片的半導(dǎo)體工藝步驟。BEOL工藝 可為如此項(xiàng)技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)工藝,且所執(zhí)行的工藝取決于實(shí)施存儲(chǔ)單元的芯片的組態(tài)。 一般而言,通過(guò)BEOL工藝形成的結(jié)構(gòu)可包含用于芯片上作為內(nèi)聯(lián)機(jī)(包含用以將存儲(chǔ)單元 耦接至周邊電路的電路)的接觸窗、層間介電質(zhì)及各種金屬層。這些BEOL工藝可包含在高 溫下沉積介電材料,諸如在400°C下沉積SiN或在500°C或更高的溫度下沉積高密度等離子 體(high density plasma,HDP)氧化物。由于這些工藝,在裝置上形成如圖28所示的控制 電路及偏壓電路,在一些實(shí)施例中,包含用于如下所述施加成形電流的電路。接下來(lái),在步驟1040處,將成形電流施加至陣列中的存儲(chǔ)單元,以使主動(dòng)區(qū)在足 以導(dǎo)致存儲(chǔ)單元500的主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的持續(xù)時(shí)間內(nèi)熔化??墒褂眯酒?的控制電路及偏壓電路來(lái)施加成形電流,以至少使主動(dòng)區(qū)熔化并冷卻一次或足夠次數(shù),從 而導(dǎo)致形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量。因此,可實(shí)施控制電路及偏壓電路,以使用不同于裝置操作 期間所使用的正常設(shè)定/復(fù)位循環(huán)的電壓電平及脈沖長(zhǎng)度來(lái)執(zhí)行成形模式。在又一替代方 案中,可在制造期間在制造線中使用連接至芯片的設(shè)備(諸如測(cè)試設(shè)備)來(lái)執(zhí)行熔化/冷 卻循環(huán),以設(shè)定電壓量值及脈沖高度。將成形電流施加至存儲(chǔ)單元,從而產(chǎn)生非均勻的電流,所述電流形成溫度分布,所 述溫度分布在主動(dòng)區(qū)中小于IOOnm的半徑內(nèi)可能相差攝氏數(shù)百度。舉例而言,在成形脈 沖期間,相變材料的主體中的溫度在底部電極附近可大于600°C,且在主動(dòng)區(qū)外部可小于150°C。這在如此小的體積內(nèi)是非常大的溫度梯度,且產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力。因此,相變材料 中的原子傾向于重新排列為適合所述溫度梯度的最穩(wěn)定(最低能量)結(jié)構(gòu)及成分分布。主 動(dòng)區(qū)內(nèi)的化學(xué)計(jì)量改變以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而主動(dòng)區(qū)外部的總體化學(xué)計(jì)量基本上保持不變。 在形成結(jié)構(gòu)/成分分布之后,來(lái)自溫度梯度的應(yīng)力可減輕。這如下文更詳細(xì)地描述使存儲(chǔ) 單元在裝置壽命期間更加穩(wěn)定??梢韵嘈牛谳^高溫度下,GexSbyTez材料偏好較高的Sb成 分及較少的Ge。因此,在成形脈沖之后,Sb原子移動(dòng)至溫度較高的主動(dòng)區(qū)(亦即,接近主動(dòng) 區(qū)中的底部電極),從而致使設(shè)定(SET)電阻降低,且致使化學(xué)計(jì)量發(fā)生可測(cè)量的變化。圖6至圖14說(shuō)明成形電流的多種脈沖形狀,可施加所述成形電流以在存儲(chǔ)單元的 相變材料的主體的主動(dòng)區(qū)中產(chǎn)生經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量。在圖6中,施加具有相對(duì)較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間以及較快上升邊緣及下降邊緣的單一正方 形脈沖200,其中相變材料的熔化臨界值201以上的振幅引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形 成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。代表性脈沖寬度可自約0. 5毫秒至200多毫秒變動(dòng), 取決于所使用的材料、存儲(chǔ)單元的組態(tài)、陣列中的存儲(chǔ)單元的數(shù)目、存儲(chǔ)單元的以設(shè)定/復(fù) 位循環(huán)數(shù)目計(jì)的指定壽命以及其它因素。圖7繪示可施加成形電流作為一連串的正方形脈沖202、203,其引起在高溫相中 足以在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。圖8繪示可施加成形電流作為具有逐步下降的量值的一連串的正方形脈沖204、 205、206,逐步下降的量值引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持 續(xù)時(shí)間。逐步下降的量值可防止在結(jié)構(gòu)中形成界面層及局部異常。圖9繪示可施加成形電流作為單一脈沖207,脈沖207具有快速上升邊緣及斜率恒 定或幾乎恒定的斜坡形后邊緣(或尾部)208,其引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改 的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。成形脈沖的尾部208可使原子更緩和地移動(dòng),而不會(huì)突然停 止(驟冷),因此防止主動(dòng)區(qū)中形成界面層。對(duì)于具有在比驟冷切斷(quench cutoff)短的 間隔中傾斜至零的快速后邊緣的脈沖而言,快速后邊緣可被視為『驟冷』,其致使主動(dòng)區(qū)中 處于非晶相的材料固化。此驟冷切斷在基于Ge2Sb2Te5的相變材料中約為10納秒,且對(duì)于 不同的相變材料將不同。在圖9所示的實(shí)施例中,后邊緣在明顯大于驟冷切斷(例如,大于 驟冷切斷的兩倍,且可比驟冷切斷長(zhǎng)5至10倍或更多倍)的時(shí)間間隔內(nèi)傾斜。圖10繪示可施加成形電流作為一連串的脈沖209、210,脈沖209、210具有傾斜式 后邊緣,其具有斜率恒定或幾乎恒定的相對(duì)較長(zhǎng)的尾部,其引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中 形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。對(duì)于具有峰值電流的脈沖(所述峰值電流對(duì)于相 變材料足以在第一持續(xù)時(shí)間內(nèi)致使主動(dòng)區(qū)中的溫度超過(guò)熔化臨界值),在此實(shí)例中,電流量 值在明顯大于驟熄切斷的時(shí)間間隔期間下降的傾斜式后邊緣可減少界面在相變材料的主 體內(nèi)形成。圖11繪示可施加成形電流作為單一脈沖211,脈沖211具有快速上升邊緣及斜坡 形或傾斜的具有變化的斜率的后邊緣(或尾部)212,后邊緣212在后邊緣的長(zhǎng)度上自相對(duì) 較高的負(fù)斜率變?yōu)榻咏诹愕男甭剩湟鸶邷叵嘀凶阋栽谥鲃?dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì) 量的累積持續(xù)時(shí)間。對(duì)于具有峰值電流的脈沖(所述峰值電流對(duì)于相變材料足以在第一持 續(xù)時(shí)間內(nèi)致使主動(dòng)區(qū)中的溫度超過(guò)熔化臨界值),在此實(shí)例中,電流量值在大于驟冷切斷的 時(shí)間間隔期間下降的傾斜式后邊緣可減少界面在相變材料的主體內(nèi)形成。
圖12繪示可施加成形電流作為一連串的脈沖213、214,脈沖213、214具有斜坡式 后邊緣,其具有斜率變化的相對(duì)較長(zhǎng)的尾部,其引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改 的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。每一脈沖或僅最后一個(gè)脈沖的特征可在于具有對(duì)于相變材料 足以在第一持續(xù)時(shí)間內(nèi)致使主動(dòng)區(qū)中的溫度超過(guò)熔化臨界值的峰值電流,以及具有電流量 值在明顯大于驟冷切斷的時(shí)間間隔期間下降的傾斜式后邊緣。圖13繪示可施加成形電流作為一連串的脈沖215,216,脈沖215、216具有逐步下 降的振幅,且具有傾斜式后邊緣,其具有斜率恒定或幾乎恒定的相對(duì)較長(zhǎng)的尾部,其引起高 溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。每一脈沖或僅最后一個(gè)脈 沖的特征可在于具有對(duì)于相變材料足以在第一持續(xù)時(shí)間內(nèi)致使主動(dòng)區(qū)中的溫度超過(guò)熔化 臨界值的峰值電流,以及具有電流量值在明顯大于驟冷切斷的時(shí)間間隔期間下降的傾斜式 后邊緣。圖14繪示可施加成形電流作為單一脈沖217,脈沖217具有快速上升邊緣及由逐 步下降的后邊緣(或尾部)218實(shí)施的傾斜式后邊緣,其引起高溫相中足以在主動(dòng)區(qū)中形成 經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的累積持續(xù)時(shí)間。圖6至圖14繪示成形電流的多種脈沖形狀。當(dāng)然,可施加其它脈沖形式及脈沖序 列,以達(dá)成致使在主動(dòng)區(qū)中形成經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的結(jié)果。在第一實(shí)例中,將成形電流脈沖給予具有圖2的結(jié)構(gòu)(其具有直徑約為50納米的 底部電極,底部電極耦接至厚度約90納米的相變材料的主體)的樣本裝置,所述成形電流 脈沖具有100納秒的尾部且脈沖寬度為1毫秒。通過(guò)在源極線及位在線施加3. 5伏特的 電源電壓來(lái)產(chǎn)生成形脈沖,同時(shí)在MOS存取晶體管上施加具有3伏特的峰值的具有所指派 的形狀的電壓脈沖。存儲(chǔ)單元是具有TiN底部電極的傘型存儲(chǔ)單元,所述底部電極具有直 徑約為50納米的接觸表面,其與相變材料的主體接觸,所述相變材料的主體包括摻雜有10 原子百分比(at% )氧化硅且具有其中χ = 2、y = 2且ζ = 5的總體化學(xué)計(jì)量的GexSbyTez 材料。下文所論述的圖22中繪示所述存儲(chǔ)單元的影像。圖15是存儲(chǔ)單元的復(fù)位電阻(三 角形樣本225)及設(shè)定電阻(χ樣本226)對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的對(duì)數(shù)標(biāo)度圖表。此圖表 顯示,設(shè)定電阻在前IX 106個(gè)循環(huán)期間是平坦的,且此后開(kāi)始降低。同樣地,復(fù)位電阻在前 1X106個(gè)循環(huán)期間是平坦的,且此后開(kāi)始降低。此圖表中的設(shè)定電阻在一百萬(wàn)個(gè)設(shè)定/復(fù) 位循環(huán)期間電阻變化范圍小于約40千歐。與圖3所示的圖表相比,存儲(chǔ)單元的穩(wěn)定性得以 驚人且實(shí)質(zhì)性地改良,而發(fā)生故障前的循環(huán)數(shù)目并未減少,在1 X 108個(gè)循環(huán)以上。在第二實(shí)例中,將成形電流作為一連串的20個(gè)脈沖而給予具有圖2的結(jié)構(gòu)的樣 本裝置,所述脈沖具有1毫秒的脈沖寬度且具有100微秒的尾部,如上文關(guān)于圖15所述而 施加所述成形電流。存儲(chǔ)單元是具有TiN底部電極的傘型存儲(chǔ)單元,所述底部電極具有直 徑約為50納米的接觸表面,其與相變材料的主體接觸,所述相變材料的主體包括摻雜有10 原子百分比(at% )氧化硅且具有其中χ = 2、y = 2且ζ = 5的總體化學(xué)計(jì)量的GexSbyTez 材料。圖16是在成形電流序列之后所述存儲(chǔ)單元的復(fù)位電阻(六點(diǎn)星號(hào)樣本227)及設(shè)定 電阻(圓形樣本228)對(duì)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)數(shù)目的對(duì)數(shù)標(biāo)度圖表。此圖表顯示,設(shè)定電阻在前 IX 106個(gè)循環(huán)之后是平坦的,且此后開(kāi)始降低。同樣地,復(fù)位電阻在前IX 106個(gè)循環(huán)之后 是平坦的,且此后開(kāi)始降低。此圖表中的設(shè)定電阻在一百萬(wàn)個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)期間在約20 千歐的電阻變化幅度中保持恒定。與圖15所示的圖表相比,開(kāi)始電平明顯地降低,且電阻開(kāi)始減弱所在的循環(huán)計(jì)數(shù)較高。因此,此實(shí)例的成形電流可為具有更均一的設(shè)定電阻及復(fù) 位電阻的裝置提供較高的指定循環(huán)。在第三實(shí)例中,將成形電流脈沖給予具有圖2的結(jié)構(gòu)的樣本裝置,所述成形電流 脈沖具有200毫秒的脈沖寬度且具有100微秒的尾部,如上文參看圖15所述而施加所述成 形電流脈沖。存儲(chǔ)單元是具有TiN底部電極的傘型存儲(chǔ)單元,所述底部電極具有直徑約為 50納米的接觸表面,其與相變材料的主體接觸,所述相變材料的主體包括摻雜有10原子百 分比(at% )氧化硅且具有其中χ = 2、y = 2且ζ = 5的總體化學(xué)計(jì)量的GexSbyTez材料。 圖17是所述存儲(chǔ)單元的復(fù)位電阻(+樣本229)及設(shè)定電阻(_樣本230)對(duì)設(shè)定/復(fù)位循 環(huán)數(shù)目的對(duì)數(shù)標(biāo)度圖表。此圖表顯示,設(shè)定電阻在前1 X 107個(gè)循環(huán)之后是平坦的,且此后 開(kāi)始降低。同樣地,復(fù)位電阻在前IX 107個(gè)循環(huán)之后是平坦的,且此后開(kāi)始降低。此圖表 中的設(shè)定電阻在一百萬(wàn)個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)期間電阻變化范圍小于約5千歐。與圖16所示 的圖表相比,開(kāi)始電平明顯地降低,且電阻開(kāi)始減弱所在的循環(huán)計(jì)數(shù)較高。因此,此實(shí)例的 成形電流可為具有更均勻的設(shè)定電阻及復(fù)位電阻的裝置提供較高的指定循環(huán)。圖18是在操作之前且無(wú)成形電流的情況下具有圖2所示的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元的相 變材料的主體的原子濃度分布的曲線圖。此曲線圖是使用EDX產(chǎn)生的,且繪示Ge (亮三角 形樣本235)、Sb (暗菱形樣本231)、Te (亮菱形樣本232)、Si (圓形樣本233)及Ti (暗三 角形樣本234)的原子百分比。Ti樣本在水平標(biāo)度上約20納米處顯示頂部電極的位置,且 在約100納米處顯示底部電極的位置。Si濃度是相變材料的主體中的氧化硅摻雜的反映。 Si濃度在底部電極處的跳變反映了氮化硅介電層中的硅。Ge及Sb的濃度在相變材料的主 體中始終穩(wěn)定于約20原子百分比。同樣地,Te的濃度恒定于約50原子百分比。此情形顯 示原始存儲(chǔ)單元(virgin cell)的總體化學(xué)計(jì)量與針對(duì)摻雜有IOat%氧化硅的Ge2Sb2Te5 材料所預(yù)期的情況是一致的。主動(dòng)區(qū)中在約80納米與100納米之間的位置處的化學(xué)計(jì)量 與總體化學(xué)計(jì)量相同。圖19是在(如上文關(guān)于圖15所論述)持續(xù)時(shí)間約為1毫秒且具有100微秒的 尾部的成形脈沖之后具有圖2所示的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元的相變材料的主體的原子濃度分布 的曲線圖。此曲線圖是使用EDX產(chǎn)生的,且繪示Ge (亮三角形樣本240)、Sb (暗菱形樣本 241)、Te (亮菱形樣本242)、Si (圓形樣本243)及Ti (暗三角形樣本244)的原子百分比。 Ti樣本在水平標(biāo)度上約20納米處顯示頂部電極的位置,且在約100納米處顯示底部電極 的位置。Ge的濃度在相變材料的主體中始終相對(duì)穩(wěn)定于約20原子百分比。Te的濃度在主 動(dòng)區(qū)外部恒定于約50原子百分比,而在主動(dòng)區(qū)內(nèi)下降至約40原子百分比。Sb的濃度在主 動(dòng)區(qū)外部恒定于約20原子百分比,而在主動(dòng)區(qū)內(nèi)增加至約40原子百分比。此情形顯示主 動(dòng)區(qū)外部的總體化學(xué)計(jì)量與針對(duì)摻雜有10站%氧化硅的GexSbyTez材料所預(yù)期的情況是一 致的,其中χ = 2、y = 2且ζ = 5。主動(dòng)區(qū)中在約80納米與100納米之間的位置中存在經(jīng) 修改的化學(xué)計(jì)量,其中χ = 2、y > 2且2 < 5,且在主動(dòng)區(qū)的一些部分中,χ = 2、y = 4且ζ =4 (如上文所提及,在原子計(jì)數(shù)χ、y及ζ中使用一個(gè)有效位)。圖20是在具有如上文關(guān)于圖3所述的形式的十億個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)之后具有圖2 所示的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元的相變材料的主體的原子濃度分布的曲線圖。此曲線圖是使用EDX 產(chǎn)生的,且繪示Ge (亮三角形樣本250)、Sb (暗菱形樣本251)、Te (亮菱形樣本252)、Si (圓 形樣本253)及Ti (暗三角形樣本254)的原子百分比。Ti樣本在水平標(biāo)度上約20納米處
14顯示頂部電極的位置,且在約100納米處顯示底部電極的位置。Ge的濃度在相變材料的主 體中始終相對(duì)穩(wěn)定于約20原子百分比。Te的濃度在主動(dòng)區(qū)外部恒定于約50原子百分比, 而在主動(dòng)區(qū)內(nèi)下降至約40原子百分比。Sb的濃度在主動(dòng)區(qū)外部恒定于約20原子百分比, 而在主動(dòng)區(qū)內(nèi)增加至約40原子百分比。此情形顯示主動(dòng)區(qū)外部的總體化學(xué)計(jì)量與針對(duì)摻 雜有10站%氧化硅的GexSbyTez材料所預(yù)期的情況是一致的,其中χ = 2、y = 2且ζ = 5。 主動(dòng)區(qū)中在約80納米與100納米之間的位置中存在經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,其中χ = 2、y > 2 且2 < 5,且在主動(dòng)區(qū)的一些部分中,χ = 2、y = 4且ζ = 4。因此,成形脈沖致使主動(dòng)區(qū)中 的化學(xué)計(jì)量變換,而此變換類(lèi)似于由1億個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)引起的變換。然而,在制造過(guò)程 期間使用成形電流而引起的變換不會(huì)如圖3的圖表所預(yù)測(cè)的那樣導(dǎo)致存儲(chǔ)單元的循環(huán)耐 久性因此降低。圖21是原始存儲(chǔ)單元的TEM影像,其顯示具有直徑約為50納米的接觸表面的底 部電極261,此接觸表面與相變材料的主體接觸,所述相變材料的主體具有主動(dòng)區(qū)260。TEM 影像顯示相變材料的主體的均勻成分。圖22是已經(jīng)受成形電流脈沖的存儲(chǔ)單元的TEM影 像,所述成形電流脈沖具有1毫秒的脈沖寬度,而其后是長(zhǎng)度為100微秒的呈斜坡式后邊緣 形式的尾部。所述影像顯示具有直徑約為50納米的接觸表面的底部電極263,所述接觸表 面與相變材料的主體接觸,所述相變材料的主體具有主動(dòng)區(qū)262。主動(dòng)區(qū)中的經(jīng)修改的化學(xué) 計(jì)量自影像顯而易見(jiàn)。圖23是已經(jīng)受1億個(gè)設(shè)定/復(fù)位循環(huán)的存儲(chǔ)單元的TEM影像。此 影像顯示具有直徑約為50納米的接觸表面的底部電極265,所述接觸表面與相變材料的主 體接觸,所述相變材料的主體具有主動(dòng)區(qū)264。主動(dòng)區(qū)中的經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量自影像顯而易 見(jiàn),且與圖22中的化學(xué)計(jì)量看起來(lái)大體上相同。圖24至圖26說(shuō)明包括相變材料的主體的存儲(chǔ)單元,所述相變材料的主體具有總 體化學(xué)計(jì)量,且具有有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的主動(dòng)區(qū)。上文參看圖2及圖4的元件而描述的 材料可在圖24至圖26的存儲(chǔ)單元中實(shí)施,且因此不再重復(fù)對(duì)這些材料的詳細(xì)描述。圖24說(shuō)明第二存儲(chǔ)單元1200的橫截面圖,第二存儲(chǔ)單元1200具有相變材料的主 體,所述相變材料的主體具有總體化學(xué)計(jì)量且形成橋型存儲(chǔ)元件1216,且具有如上文所述 有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的主動(dòng)區(qū)1210。存儲(chǔ)單元1200包含介電間隙壁1215,其使第一電極1220與第二電極1240分離。 存儲(chǔ)元件1216延伸越過(guò)介電間隙壁1215,以與第一電極1220及第二電極1240接觸,從 而在第一電極1220與第二電極1240之間界定電極間電流路徑,其路徑長(zhǎng)度由介電間隙壁 1215的寬度1217界定。在操作時(shí),當(dāng)電流在第一電極1220與第二電極1240之間經(jīng)過(guò)并通 過(guò)存儲(chǔ)元件1216時(shí),主動(dòng)區(qū)1210的變熱速度比存儲(chǔ)元件1216的其余部分的變熱速度快。圖25說(shuō)明第三存儲(chǔ)單元1300的橫截面圖,第三存儲(chǔ)單元1310具有相變材料的主 體,所述相變材料的主體具有總體化學(xué)計(jì)量且形成柱形存儲(chǔ)元件1316,且具有如上文所述 有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的主動(dòng)區(qū)1310。存儲(chǔ)單元1300包含柱形存儲(chǔ)元件1316,其分別在頂部表面1322及底部表面1324 處與第一電極1320及第二電極1340接觸。在此實(shí)例中,存儲(chǔ)元件1316的寬度1317與第一 電極1320及第二電極1340的寬度大體上相同,以界定由介電質(zhì)(未圖示)圍繞的多層柱。 如本文所使用,術(shù)語(yǔ)『大體上』是指容納制造容許度。在操作中,當(dāng)電流在第一電極1320與 第二電極1340之間經(jīng)過(guò)并通過(guò)存儲(chǔ)元件1316時(shí),主動(dòng)區(qū)1310的變熱速度比存儲(chǔ)元件的其余部分1313的變熱速度快。圖26說(shuō)明第四存儲(chǔ)單元1400的橫截面圖,第四存儲(chǔ)單元1400具有相變材料的主 體,所述相變材料的主體具有總體化學(xué)計(jì)量且形成小孔型存儲(chǔ)元件1416,且具有如上文所 述有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的主動(dòng)區(qū)1410。存儲(chǔ)單元1400包含小孔型存儲(chǔ)元件1416,其由介電質(zhì)(未圖示)圍繞,且分別在 頂部表面及底部表面處與第一電極1420及第二電極1440接觸。所述存儲(chǔ)元件的寬度小于 第一電極及第二電極的寬度,且在操作中,當(dāng)電流在第一電極與第二電極之間經(jīng)過(guò)并通過(guò) 存儲(chǔ)元件時(shí),主動(dòng)區(qū)的變熱速度比存儲(chǔ)元件的其余部分的變熱速度快。如將了解,本發(fā)明不限于本文所描述的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),且通常包含包括相變材料 的主體的存儲(chǔ)單元,所述相變材料的主體具有總體化學(xué)計(jì)量,且具有有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量 的主動(dòng)區(qū),使得所得結(jié)構(gòu)如上文所述變得穩(wěn)定。圖27中說(shuō)明四個(gè)存儲(chǔ)單元1830、1832、1834、1836,其具有穩(wěn)定的存儲(chǔ)元件1840、 1842、1844、1846,其表示陣列的一小區(qū)段。存儲(chǔ)單元1830、1832、1834、1836的存取晶體管中的每一者的源極共同連接至源 極線1854,源極線1854在源極線終端電路1855(諸如接地端子)中終止。在另一實(shí)施例 中,存取裝置的源極線不在鄰近存儲(chǔ)單元之間共享,而是可獨(dú)立控制的。在一些實(shí)施例中, 源極線終端電路1855可包含偏壓電路(諸如電壓源及電流源)以及譯碼電路,譯碼電路用 于將除接地外的偏壓配置施加至源極線1854。多個(gè)字線(包含字線1856、1858)沿第一方向平行延伸。字線1856、1858與字線 譯碼器1714電連通(electrical communication)。存儲(chǔ)單元1830及1834的存取晶體管 的柵極連接至字線1856,而存儲(chǔ)單元1832及1836的存取晶體管的柵極共同連接至字線 1858。多個(gè)位線(包含位線1860、1862)在第二方向上平行延伸,且與位線譯碼器1718 電連通。在所說(shuō)明的實(shí)施例中,存儲(chǔ)元件中的每一者配置于對(duì)應(yīng)存取裝置的漏極與對(duì)應(yīng)位 線之間?;蛘?,存儲(chǔ)元件可位于對(duì)應(yīng)存取裝置的源極側(cè)??刂齐娐芳捌珘弘娐?見(jiàn)圖28) 耦接至陣列,且提供用于將成形電流施加至存儲(chǔ)單元以如上文所述修改主動(dòng)區(qū)的化學(xué)計(jì)量 的構(gòu)件。圖28是集成電路1710的簡(jiǎn)化方塊圖,集成電路1710包含存儲(chǔ)器陣列1712,存儲(chǔ) 器陣列1712是使用具有主動(dòng)區(qū)的存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)施的,所述主動(dòng)區(qū)如本文所述包括在富含 介電質(zhì)的網(wǎng)內(nèi)具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的相變區(qū)域。具有讀取模式、設(shè)定模式及復(fù)位模式的 字線譯碼器1714耦接至多個(gè)字線1716并與之電連通,字線1716沿存儲(chǔ)器陣列1712中的 列配置。位線(行)譯碼器1718與多個(gè)位線1720電連通,以讀取、設(shè)定及復(fù)位存儲(chǔ)器陣列 1712中的相變存儲(chǔ)單元(未圖標(biāo)),位線1720沿存儲(chǔ)器陣列1712中的行配置。在總線1722 上將地址供應(yīng)至字線譯碼器1714以及位線譯碼器1718。方塊1724中的感測(cè)電路(感測(cè)放 大器)及數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)(包含用于讀取模式、設(shè)定模式及復(fù)位模式的電壓及/或電流源) 經(jīng)由數(shù)據(jù)總線1726耦接至位線譯碼器1718。數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入線1728自集成電路1710 上的輸入/輸出端或自集成電路1710內(nèi)部或外部的其它數(shù)據(jù)源供應(yīng)至方塊1724中的數(shù)據(jù) 輸入結(jié)構(gòu)。集成電路1710上可包含其它電路1730,諸如通用處理器或?qū)S脩?yīng)用電路,或提 供由存儲(chǔ)器陣列1712支持的芯片上系統(tǒng)(system-on-a-chip)功能性的模塊的組合。數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)輸出線1732自方塊1724中的感測(cè)放大器供應(yīng)至集成電路1710上的輸入/輸出 端,或供應(yīng)至集成電路1710內(nèi)部或外部的其它數(shù)據(jù)目的地。在此實(shí)施例中,使用偏壓配置狀態(tài)機(jī)實(shí)施的控制器1734控制偏壓電路電壓與電 流源1736的應(yīng)用,以用于對(duì)字線及位線施加偏壓配置,其包含讀取、編程、擦除、擦除驗(yàn)證 及編程驗(yàn)證電壓及/或電流。此外,如上文所提及,實(shí)施用于施加成形電流的偏壓配置。可 使用如此項(xiàng)技術(shù)中已知的專(zhuān)用邏輯電路來(lái)實(shí)施控制器1734。在替代實(shí)施例中,控制器1734 包括通用處理器,其可在同一集成電路上實(shí)施,以執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制裝置的操作。在其 它實(shí)施例中,可利用專(zhuān)用邏輯電路與通用處理器的組合來(lái)實(shí)施控制器1734??墒褂萌缭诖隧?xiàng)技術(shù)中為標(biāo)準(zhǔn)的具有分壓器及電荷泵的電源輸入、電流源電路、 脈沖整形電路、時(shí)序電路及電壓與電流開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)施方塊1736中的成形脈沖及偏壓電路電 壓與電流源。方塊1736處的成形脈沖及偏壓電路電壓及電流源中的控制器1734提供用于施加 成形電流以如上文所述引起主動(dòng)區(qū)中的化學(xué)計(jì)量的修改的構(gòu)件。如圖28所示,存儲(chǔ)器陣列1712的存儲(chǔ)單元中的每一者包含存取晶體管(或其它 存取裝置,諸如二極管)及具有主動(dòng)區(qū)的存儲(chǔ)元件,所述主動(dòng)區(qū)包括如上文所述具有穩(wěn)定 化學(xué)計(jì)量的相變材料。將理解,存儲(chǔ)器陣列1712不限于圖27中所說(shuō)明的陣列組態(tài),而是亦可使用額外的 陣列組態(tài)。此外,在一些實(shí)施例中,可替代MOS晶體管而使用雙極(bipolar)晶體管或二極 管作為存取裝置。在操作中,存儲(chǔ)器陣列1712中的存儲(chǔ)單元中的每一者依據(jù)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)元件的電阻 而儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。舉例而言,可由感測(cè)電路(方塊1724)的感測(cè)放大器通過(guò)將用于選定存儲(chǔ)單 元的位線上的電流與合適的參考電流進(jìn)行比較來(lái)判定數(shù)據(jù)值??蓪⒖茧娏鞔_立為預(yù)定 電流范圍對(duì)應(yīng)于邏輯『0』,且一不同的電流范圍對(duì)應(yīng)于邏輯『1』。因此,可通過(guò)將合適的電壓施加至字線中的一者以及將位線中的一者耦接至電壓 源而使得電流流經(jīng)選定存儲(chǔ)單元來(lái)達(dá)成對(duì)存儲(chǔ)器陣列1712的存儲(chǔ)單元的讀取或?qū)懭?。圖 27中展示一實(shí)例,其中通過(guò)如下方式來(lái)確立通過(guò)選定存儲(chǔ)單元(在此實(shí)例中為存儲(chǔ)單元 1830及對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)元件1840)的電流路徑1880 將電壓施加至位線1860、字線1856及源 極線1854,所述電壓足以接通存儲(chǔ)單元1830的存取晶體管,并在電流路徑1880中引起電流 以自位線I860流至源極線1854,或反之亦然。所施加電壓的電平及持續(xù)時(shí)間取決于所執(zhí)行 的操作,例如讀取操作或?qū)懭氩僮鳌T诖鎯?chǔ)單元的復(fù)位(或擦除)操作中,字線譯碼器1714促進(jìn)向字線提供合適的電 壓脈沖,以接通存儲(chǔ)單元的存取晶體管。位線譯碼器1718促進(jìn)將具有合適振幅及持續(xù)時(shí)間 的電壓脈沖供應(yīng)至位線,以引起電流流經(jīng)存儲(chǔ)元件,所述電流使存儲(chǔ)元件的主動(dòng)區(qū)的溫度 上升至高于相變材料的轉(zhuǎn)變溫度,且亦高于熔化溫度,從而使主動(dòng)區(qū)的相變材料處于液態(tài)。 接著,例如通過(guò)使位線上及字線上的電壓脈沖終止來(lái)使電流終止,從而在主動(dòng)區(qū)冷卻至高 電阻大體非晶相時(shí)產(chǎn)生相對(duì)較快的驟冷時(shí)間,從而確立存儲(chǔ)單元中的高電阻復(fù)位狀態(tài)。復(fù) 位操作亦可包括一個(gè)以上脈沖,例如使用一對(duì)脈沖。在選定存儲(chǔ)單元的設(shè)定(或編程)操作中,字線譯碼器1714促進(jìn)向字線提供合適 的電壓脈沖,以接通存儲(chǔ)單元的存取晶體管。位線譯碼器1718促進(jìn)將具有合適振幅及持續(xù)時(shí)間的電壓脈沖供應(yīng)至位線,以引起電流流經(jīng)存儲(chǔ)元件,所述電流脈沖足以使主動(dòng)區(qū)的溫 度上升至高于轉(zhuǎn)變溫度,且導(dǎo)致主動(dòng)區(qū)的相變區(qū)域中自高電阻大體非晶狀況轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮?大體結(jié)晶狀況,此轉(zhuǎn)變使所有存儲(chǔ)元件的電阻降低,且將存儲(chǔ)單元設(shè)定為低電阻狀態(tài)。在對(duì)儲(chǔ)存于存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)值的讀取(或感測(cè))操作中,字線譯碼器1714促進(jìn) 向字線提供合適的電壓脈沖,以接通存儲(chǔ)單元的存取晶體管。位線譯碼器1718促進(jìn)將具有 合適振幅及持續(xù)時(shí)間的電壓供應(yīng)至位線,以引起電流流經(jīng)存儲(chǔ)元件,所述電流不會(huì)導(dǎo)致存 儲(chǔ)元件經(jīng)受電阻狀態(tài)的變化。位在線且經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)單元的電流取決于存儲(chǔ)單元的電阻,且因 此取決于與存儲(chǔ)單元相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)狀態(tài)。因此,可通過(guò)偵測(cè)存儲(chǔ)單元的電阻是對(duì)應(yīng)于高電 阻狀態(tài)還是對(duì)應(yīng)于低電阻狀態(tài)(例如通過(guò)感測(cè)電路(方塊1724)的感測(cè)放大器將對(duì)應(yīng)位在 線的電流與合適的參考電流進(jìn)行比較)來(lái)判定存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在成形脈沖模式下,控制器1734中的控制電路及方塊1736中的偏壓電路被啟用, 以執(zhí)行用于循環(huán)通過(guò)相變存儲(chǔ)單元的陣列并施加成形電流以引起主動(dòng)區(qū)中化學(xué)計(jì)量的修 改的程序。在將晶粒(die)分成個(gè)別芯片(chip)之后,可在代表性系統(tǒng)中通過(guò)控制信號(hào)來(lái) 啟用控制電路以執(zhí)行此化學(xué)計(jì)量的修改的程序,所述控制信號(hào)是通過(guò)測(cè)試線中的制造設(shè)備 使用接觸探針提供的。以上動(dòng)作亦可在封裝晶粒之后,使用類(lèi)似于芯片測(cè)試的設(shè)備或特別 設(shè)計(jì)的專(zhuān)用設(shè)備來(lái)執(zhí)行。此外,所述設(shè)備可經(jīng)組態(tài)以同時(shí)將成形電流施加至多個(gè)存儲(chǔ)單元, 使得圖5中的成形步驟1040的總處理時(shí)間可減少,因此改良生產(chǎn)率。本文所描述的實(shí)施例中所使用的相變材料由氧化硅及G2S2T5構(gòu)成。亦可使用其它 包含硫族化合物的相變合金。硫族元素包含形成周期表中的VIA族的一部分的四種元素氧 (0)、硫(S)、硒(Se)及碲(Te)中的任一者。硫族化合物包括硫族元素與正電性更強(qiáng)的元 素或自由基的化合物。硫族化合物合金包括硫族化合物與其它材料(諸如過(guò)渡金屬)的組 合。硫族化合物合金通常含有來(lái)自元素周期表的IVA族的一或多種元素,諸如鍺(Ge)及錫 (Sn)。通常,硫族化合物合金包含包括以下各項(xiàng)中的一或多者的組合銻(Sb)、鎵(Ga)、銦 (In)及銀(Ag)。技術(shù)文獻(xiàn)中已描述了許多基于相變的存儲(chǔ)材料,包含以下各項(xiàng)的合金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 及 Te/Ge/Sb/S。在 Ge/Sb/Te 合金族中,許多合金成 分為可使用的。此成分可表征為T(mén)eaGebSb1(lMa+b)。一位研究者已將最有用的合金描述為在沉 積的材料中Te的平均濃度充分低于70%,通常低于約60%,且一般自低至約23%至高達(dá)約 58 %的Te變動(dòng),且最佳自約48 %至58 %的Te變動(dòng)。Ge在材料內(nèi)的濃度高于約5 %,且自約 8%的低值至約30%的平均值變動(dòng),大體上保持低于50%。最佳的是,Ge的濃度自約8%至 約40%變動(dòng)。此成分中主要組成元素的其余部分為Sb。百分比為原子百分比,其總共構(gòu)成 組成元素的原子的100%。(Ovshinsky的第5,687,112號(hào)專(zhuān)利,第10至11欄)。另一位研 究者評(píng)估的特定合金包含 Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4 及 GeSb4Te7 (Noboru Yamada,『Potential of Ge-Sb-TePhase-Change Optical Disks for High-Data-Rate Recording』, SPIE v.3109, 第28至37頁(yè)(1997))。更一般而言,諸如鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉬 (Pt)等過(guò)渡金屬及其混合物或合金可與Ge/Sb/Te組合,以形成具有可編程電阻特性的相 變合金。在Ovshinsky的'112專(zhuān)利中第11至13欄處給出可能有用的存儲(chǔ)材料的具體實(shí) 例,所述實(shí)例特此以引用的方式并入本文中。在一些實(shí)施例中,硫族化合物及其它相變材料 摻雜有雜質(zhì),以使用經(jīng)摻雜的硫族化合物來(lái)修改存儲(chǔ)元件的導(dǎo)電性、轉(zhuǎn)變溫度、熔化溫度及其它特性。用于摻雜硫族化合物的代表性雜質(zhì)包含氮、硅、氧、二氧化硅、氮化硅、銅、銀、金、 鋁、氧化鋁、鉭、氧化鉭、氮化鉭、鈦及氧化鈦。見(jiàn)(例如)美國(guó)專(zhuān)利第6,800,504號(hào)及美國(guó) 專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)案第US 2005/0029502號(hào)。代表性硫族化合物材料可具有如下表征的總體化學(xué)計(jì)量=GexSbyTez,其中 χ y ζ = 2 2 5??梢驭?:0 5 ;y :0 5 ;z :0 10來(lái)使用其它成分。亦可使用 具有諸如N-、Si-、Ti-摻雜或其它元素?fù)诫s的GeSbTe。這些材料可通過(guò)在1毫托(mtorr) 至100毫托的壓力下使用Ar、N2及/或He等反應(yīng)氣體及硫族化合物的PVD濺射或磁控濺 射來(lái)形成。通常在室溫下進(jìn)行沉積??墒褂蒙顚挶?aspect ratio)為1 5的準(zhǔn)直儀 (collimator)來(lái)改良填充(fill-in)效能。為改良填充效能,亦使用數(shù)十伏特至數(shù)百伏特 的DC偏壓。此外,可同時(shí)使用DC偏壓與準(zhǔn)直儀的組合。有時(shí)需要使用真空或N2環(huán)境的沉 積后退火處理,以改良硫族化合物材料的結(jié)晶態(tài)。退火溫度的范圍通常在100°C至400°C, 退火時(shí)間少于30分鐘。硫族化合物材料的厚度取決于存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。一般而言,厚度大于8nm的 硫族化合物材料可具有使得材料展現(xiàn)出至少兩種穩(wěn)定電阻狀態(tài)的相變特征,盡管較薄的膜 層可能適合于一些實(shí)施例。對(duì)于使用GST或類(lèi)似硫族化合物來(lái)實(shí)施的存儲(chǔ)單元,在所說(shuō)明的實(shí)施例中,用于 實(shí)施電極的合適材料包含TiN、TaN、W及經(jīng)摻雜的Si。或者,電極為T(mén)iAlN或TaAIN,或?qū)τ?其它實(shí)例,包括選自由Ti、W、Mo、Al、Ta、Cu、Pt、Ir、La、Ni及Ru組成的群組的一或多種元
素及其合金。雖然參照上文詳述的較佳實(shí)施例及實(shí)例揭露了本發(fā)明,但應(yīng)理解,這些實(shí)例意欲 具有說(shuō)明性意義而非限制性意義。預(yù)期熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將容易想到多種修改及組合,所述 修改及組合將在本發(fā)明的精神及附加的權(quán)利要求范圍的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制造集成電路的方法,其特征在于,包括在一集成電路基板上提供一相變存儲(chǔ)單元的一陣列,該相變存儲(chǔ)單元在具有一總體化學(xué)計(jì)量的一相變材料的主體內(nèi)具有一主動(dòng)區(qū);以及將一成形電流施加至該陣列中的該相變存儲(chǔ)單元,以在該主動(dòng)區(qū)中形成具有一經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的該相變材料,該經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量不同于該總體化學(xué)計(jì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,在施加該成形電流之后, 該陣列中的該相變存儲(chǔ)單元在一設(shè)定狀態(tài)下具有一電阻,該電阻在一百萬(wàn)個(gè)設(shè)定及復(fù)位循 環(huán)期間電阻變化范圍小于20千歐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,在施加該成形電流之后, 該陣列中的該相變存儲(chǔ)單元在一設(shè)定狀態(tài)下具有一電阻,該電阻在一千萬(wàn)個(gè)設(shè)定及復(fù)位循 環(huán)期間電阻變化范圍小于20千歐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,施加該成形電流包含施 加一持續(xù)時(shí)間大于0. 5毫秒的脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造集成電路的方法,其特征在于,該持續(xù)時(shí)間大于100毫秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,該相變材料包括摻雜有 介電材料的硫族化合物材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,施加該成形電流包含施 加一脈沖,該脈沖的一電流量值足以在一第一持續(xù)時(shí)間內(nèi)致使該主動(dòng)區(qū)中的溫度大于該相 變材料的熔化溫度,該脈沖具有一傾斜式后邊緣,其中該電流量值在一時(shí)間間隔內(nèi)下降,該 時(shí)間間隔明顯地大于該相變材料的驟冷切斷的時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,該相變材料包括 GexSbyTez0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造集成電路的方法,其特征在于,該相變材料包括 GexSbyTez,其中在該總體化學(xué)計(jì)量中,χ = 2、y = 2且ζ = 5。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造集成電路的方法,其特征在于,在該經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量 中,y > 2 且 ζ < 5。
11.一種相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,包括一集成電路,包含一含有相變存儲(chǔ)單元的陣列,該含有相變存儲(chǔ)單元的陣列中的相變 存儲(chǔ)單元在一相變材料的主體內(nèi)具有一主動(dòng)區(qū),該相變材料在該主動(dòng)區(qū)外部具有一總體化 學(xué)計(jì)量,且在該主動(dòng)區(qū)內(nèi)具有一經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,該經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量不同于該總體化 學(xué)計(jì)量;以及在該集成電路上的一電路,該電路具有一編程模式以將一設(shè)定脈沖及一復(fù)位脈沖施加 至該含有相變存儲(chǔ)單元的陣列,且具有一成形模式以將一成形電流施加至該含有相變存儲(chǔ) 單元的陣列,以使該主動(dòng)區(qū)中的該總體化學(xué)計(jì)量改變?yōu)樵摻?jīng)修改的化學(xué)計(jì)量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,在施加該成形電流之后,該 含有相變存儲(chǔ)單元的陣列中的相變存儲(chǔ)單元在一設(shè)定狀態(tài)下具有一電阻,該電阻在一百萬(wàn) 個(gè)設(shè)定及復(fù)位循環(huán)期間保持于范圍小于20千歐的電阻變化幅度中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,在施加該成形電流之后,該含有相變存儲(chǔ)單元的陣列中的該相變存儲(chǔ)單元在一設(shè)定狀態(tài)下具有一電阻,該電阻在 一千萬(wàn)個(gè)設(shè)定及復(fù)位循環(huán)期間保持于范圍小于20千歐的電阻變化幅度中。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,用以將成該形電流施加至 該含有相變存儲(chǔ)單元的陣列的該電路將一持續(xù)時(shí)間大于0. 5毫秒的脈沖施加至該含有相 變存儲(chǔ)單元的陣列中的每一存儲(chǔ)單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,該持續(xù)時(shí)間大于100毫秒。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,該相變材料包括摻雜有介 電材料的硫族化合物材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,該電路在該成形模式下施 加一或多個(gè)脈沖,該一或多個(gè)脈沖的一電流量值在一第一持續(xù)時(shí)間內(nèi)足以致使該主動(dòng)區(qū)中 的溫度大于該相變材料的熔化溫度,該一或多個(gè)脈沖具有傾斜式后邊緣,其中該電流量值 在一時(shí)間間隔內(nèi)下降,該時(shí)間間隔明顯地大于該相變材料的驟冷切斷的時(shí)間。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,該相變材料包括GexSbyTez。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,該相變材料包括GexSbyTez, 其中在該總體化學(xué)計(jì)量中,χ = 2、y = 2且ζ = 5。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的相變存儲(chǔ)器裝置,其特征在于,在該經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量中, y > 2 且 ζ < 5。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器裝置及集成電路的制造方法。此相變材料元件在主動(dòng)區(qū)中具有經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,其在設(shè)定狀態(tài)中并不展現(xiàn)出電阻的漂移。一種制造此存儲(chǔ)器裝置的方法,包含首先制造包含相變存儲(chǔ)單元的陣列的集成電路,相變存儲(chǔ)單元的陣列具有具總體化學(xué)計(jì)量的相變材料的主體;接著將成形電流施加至陣列中的相變存儲(chǔ)單元,以使相變材料的主體的主動(dòng)區(qū)中的總體化學(xué)計(jì)量改變?yōu)榻?jīng)修改的化學(xué)計(jì)量,而不干擾主動(dòng)區(qū)外部的總體化學(xué)計(jì)量。總體化學(xué)計(jì)量的特征在于主動(dòng)區(qū)外部的熱力學(xué)條件下的穩(wěn)定性,而經(jīng)修改的化學(xué)計(jì)量的特征在于主動(dòng)區(qū)內(nèi)部的熱力學(xué)條件下的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L27/24GK101924072SQ201010213139
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月15日
發(fā)明者李明修 申請(qǐng)人:旺宏電子股份有限公司