專利名稱：使用自對準相變材料層的相變存儲器元件及其制造和使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置，且特別涉及相變存儲器元件及其形成和使用方法。 ，狄A
非易失性存儲器因其能夠在缺乏電源的情況下保存數(shù)據(jù)而成為集成電路的重要元 件。已經研究了相變材料以用于非易失性存儲器單元。相變存儲器元件包含相變材料， 例如硫屬化物合金，其能夠在無定形相與結晶相之間穩(wěn)定地轉變。每個相都展現(xiàn)出特定 的電阻狀態(tài)，且所述電阻狀態(tài)區(qū)分存儲器元件的邏輯值。具體來說，無定形狀態(tài)展現(xiàn)出 相對較高的電阻，而結晶狀態(tài)展現(xiàn)出相對較低的電阻。
圖1A和圖1B中說明的常規(guī)相變存儲器元件1具有位于第一電極2與第二電極4 之間的相變材料層8，第一電極2和第二電極4由介電材料6支撐。根據(jù)第一電極2和 第二電極4所施加的電流的量將相變材料8設置成特定電阻狀態(tài)。為了獲得無定形狀態(tài) (圖1B)，通過常規(guī)相變存儲器元件l施加相對較高的寫入電流脈沖(復位脈沖)，以便 在第一時間周期內熔化覆蓋第一電極2的相變材料8的至少一部分。移除所述電流，且 相變材料8迅速冷卻到低于玻璃轉變溫度的溫度，這導致覆蓋第一電極2的相變材料8 的所述部分具有無定形相。為了獲得結晶狀態(tài)(圖1A)，在第二時間周期內(其持續(xù)時 間通常比第一時間周期和無定形相變材料的結晶時間長)，將較低的電流寫入脈沖(設 置脈沖)施加到常規(guī)相變存儲器元件1，以便將相變材料8的無定形部分加熱到低于其 熔化點但高于其結晶溫度的溫度。這導致相變材料8的無定形部分重新結晶成結晶相， 一旦所述電流被移除且常規(guī)相變存儲器元件l冷卻，所述結晶相位就得以維持。通過施 加不會改變相變材料8的相態(tài)的讀取電壓來讀取相變存儲器元件1。
非易失性存儲器的一個所追求的特征是低功率消耗。然而，常規(guī)相變存儲器元件通 常需要較大的操作電流。因此需要提供具有降低的電流要求的相變存儲器元件。對于相 變存儲器元件來說，有必要具有某一電流密度，所述電流密度將把相變材料加熱到超過 其熔化點，且在無定形狀態(tài)下對其進行淬火。 一種提高電流密度的方式是減小第一電極 的大小。這些方法會使第一電極與相變材料的界面處的電流密度增至最大。雖然這些常 規(guī)解決方法通常是成功的，但需要進一步減小相變存儲器元件中的總電流，從而降低特 定應用中的功率消耗。相變存儲器的另一合意的特性是其切換可靠性和一致性。常規(guī)的相變存儲器元件 (例如圖1A和圖IB的相變存儲器元件1)具有相變材料層的可編程區(qū)，所述可編程區(qū) 不受限制，且可自由地側向延伸，而且相變材料的無定形部分與結晶部分之間的界面可 能會導致可靠性問題。所提出的本發(fā)明限制所述單元，因此其減小了在從結晶相改變成 無定形相期間側向延伸的能力或無意間的故障。

發(fā)明內容
本發(fā)明的示范性實施例提供相變存儲器元件及其形成方法。示范性存儲器元件包含 支撐第一電極的襯底。絕緣材料元件位于所述第一電極上，且相變材料層形成在所述第 一電極上，并且圍繞所述絕緣材料元件，使得所述相變材料層具有與所述第一電極電連 通的下表面。所述存儲器元件還具有第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。


從下文中參看附圖對示范性實施例進行的詳細描述，將更明白本發(fā)明的前述和其它 優(yōu)點和特征，其中
圖1A到圖1B說明常規(guī)的相變存儲器元件；
圖2A到圖2B分別說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例構造的相變存儲器元件的局部橫 截面圖和局部俯視圖3A到圖5B說明制造圖2A和圖2B的相變存儲器元件的示范性方法的局部橫截 面圖和局部俯視圖6A到圖6B分別說明根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實施例構造的相變存儲器元件的局 部橫截面圖和局部俯視圖7A到圖8B說明圖6A和圖6B的相變存儲器元件的示范性制造方法的局部橫截 面圖和局部俯視圖9A到圖9B分別說明根據(jù)本發(fā)明的第三示范性實施例構造的陣列相變存儲器元件
的局部橫截面圖和局部俯視圖IOA到圖IOB分別說明根據(jù)本發(fā)明的第四示范性實施例構造的陣列相變存儲器元 件的局部橫截面圖和局部俯視圖IIA到圖IIE說明根據(jù)本發(fā)明的第五示范性實施例構造的陣列相變存儲器元件的 局部橫截面圖和局部俯視圖，以及制造第五示范性實施例的示范性方法；以及
圖12是具有并入有根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例構造的相變存儲器元件的存儲器裝 置的處理器系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
在以下詳細描述中，參看本發(fā)明的各種特定實施例。用充分的細節(jié)來描述這些實施 例是為了使所屬領域的技術人員能夠實踐本發(fā)明。應了解，可使用其它實施例，且可在 不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，作出各種結構、邏輯和電性改變。
以下描述中所使用的術語"襯底"可包含任何支撐結構，其中包含(但不限于)具 有暴露的襯底表面的半導體襯底。應了解，半導體襯底包含硅、絕緣體上硅(SOI)、藍 寶石上硅(sos)、摻雜和未摻雜的半導體、由基底半導體底座支撐的外延硅層以及其它
半導體結構，其中包含由除硅之外的半導體制成的半導體結構。當在以下描述中提到半 導體襯底或晶片時，可能已經利用了前述工藝步驟在基底半導體或底座之中或之上形成 區(qū)或結。襯底也不需要是基于半導體的，而是可為任何適合支撐集成電路的支撐結構， 其中包含(但不限于)金屬、合金、玻璃、聚合物、陶瓷和此項技術中已知的任何其它 支撐性材料。
現(xiàn)參看圖來闡釋本發(fā)明，圖中說明示范性實施例，且圖中相同參考編號始終指示相
同特征。圖2A和圖2B說明根據(jù)本發(fā)明構造的相變存儲器元件100的示范性實施例。
相變存儲器元件100包含襯底10，其上面形成有第一介電層12，以及形成于第一 介電層12內的通孔24中的第一電極14。相變存儲器元件IOO還包含氮化物元件16， 其形成于第一電極14上，且在圍繞氮化物元件16的相變材料層18內。相變材料層18 本身由第二介電層20圍繞。圖2A的相變存儲器元件100還包含形成于氮化物元件16 上并與相變材料層18電連通的第二電極22。
圖2B說明圖2A的相變存儲器元件100的局部俯視圖。如所說明，相變材料層18 圍繞氮化物元件16。氮化物元件16和相變材料層18形成于第一電極14上，使得相變 材料層18與第一電極14 (圖2A)電連通。第一電極14形成于第一介電層12的通孔 24內。
在操作中，圖2A和圖2B的相變存儲器元件100具有以下優(yōu)點由于相變材料層 18與第一電極14之間的接觸面積減小，從而導致可編程的相變材料層18的體積減小， 因此與典型的相變存儲器元件相比，所需要的電流較少(且因此，消耗的功率較少)。 由于相變材料層18與第一電極14和第二電極22之間的接觸面積減小，所以將所說明 的相變材料層18的可編程體積的相從結晶改變成無定形所必需的電流減少。
舉例來說，常規(guī)的相變存儲器元件(例如，圖1的常規(guī)相變存儲器元件1)通常具 有可編程體積的直徑約為75 nm且高度約為50 nm因此體積約為2.2X 105 nm3的相變材料層。使具有直徑約為75 nm的接觸面積(4.4X 103 nm2)且體積為2.2X 105 nm3的相變 材料層復位所必需的電流大約為2mA。
相反，如果相變材料層18的厚度t (圖4A)約為5 nm，且高度h(圖4A)與圖l 的相變存儲器元件1中的可編程體積相同，那么圖2A和圖2B的相變存儲器元件100 可具有可編程體積為5.9X104 nmS的相變材料層18。圖2A和圖2B的相變存儲器元件 100的可編程體積幾乎是常規(guī)相變存儲器元件的可編程體積的四分之一。接觸面積也減 小到常規(guī)相變材料層(例如圖1A和圖1B的相變材料層8)與第一電極2和第二電極4 (圖1A和圖1B)的接觸面積的四分之一。相變材料的接觸面積和可編程體積的減小導 致使相變材料層18復位所必需的電流和功率的量減小。舉例來說，與使常規(guī)相變存儲 器元件的相變材料復位所必需的2 mA相比，使接觸面積為1.2X103 nm、且體積為 5.9xlO、mS的相變材料層18復位所必需的電流大約為0.5mA，且功率消耗也減小到常
規(guī)相變存儲器元件的功率消耗的四分之一。
相變存儲器元件的縮放指示復位電流大約與相變材料同第一和第二電極(例如圖2A 的第一電極14和第二電極22)之間的接觸面積成比例。因此，使相變材料層18沉積成 圍繞氮化物元件16，從而允許相變材料層18與第一電極14和第二電極22接觸的接觸 面積比在不提供氮化物元件16的情況下的接觸面積小，并且維持相變材料的減小的體 積，而接觸面積線性地取決于相變材料層18的厚度，且可通過沉積相變材料來精確地 控制。
圖3A到圖5B說明制造圖2A和圖2B中所說明的相變存儲器元件100的示范性方 法。本文中所描述的任何動作都不需要特定的次序，但邏輯上需要先前動作的結果的動 作除外。因此，雖然將以下的動作描述為按特定次序執(zhí)行，但所述次序只是示范性的， 而且如果需要的話可對其進行更改。雖然展示了單個相變存儲器元件100的形成，但應 了解，相變存儲器元件IOO可能是存儲器元件陣列中的一個存儲器元件，所述存儲器元 件陣列可同時形成。
圖3A和圖3B分別說明中間結構100a的局部橫截面圖和局部俯視圖。通過在襯底 IO上提供第一介電層12來形成中間結構100a。通常對第一介電層12進行蝕刻以形成 通孔24(圖2B)，第一電極14形成于通孔24內。第一 電極14可由任何合適的導電材 料形成，例如氮化鈦(TiN)、氮化鈦鋁(TiAlN)、鎢化鈦(TiW)、鉑(Pt)或鎢(W)等。
形成并蝕刻氮化物元件前驅體層，以產生氮化物元件16。可對氮化物元件16進行
圖案化，使其具有大致上類似于圓盤狀的俯視形狀(見圖3B)，其具有傾斜的側壁區(qū)16b，以如下所述改進相變材料沉積的階梯覆蓋率(step coverage)。雖然將元件16形成為氮 化物，但其可由其它材料形成。舉例來說，元件16可由任何絕緣材料形成，例如(但 不限于)氮化硅；氧化鋁；氧化物；高溫聚合物；低介電材料；絕緣玻璃或絕緣聚合物。
應注意，并不希望以任何方式限制氮化物元件16的圓盤狀的俯視形狀。舉例來說， 氮化物元件16可如下文相對于圖9所論述那樣具有三角形、圓形或矩形的俯視形狀。 還應注意，傾斜的側壁16b只是可選的，且氮化物元件16的側壁可為相對于第一電極 14的頂表面垂直、線性、非線性、彎曲、傾斜，使得氮化物元件16的頂表面的表面積 大于底表面的表面積，或者可具有任何其它合意形狀。
圖4A和圖4B說明在氮化物元件16的側壁16b (圖3A)上沉積共形或部分共形的 相變材料，以形成相變材料層18。所沉積的相變材料可為硫屬化物材料，例如鍺一銻一 碲或鍺 一 碲化物層。示范性相變材料還可包含(例如)GexSbyTez (例如Ge2Sb2Te5) 、 GaSb 、 GexTey、 SbTe (例如Sb2Te3)、 InSb、 InSe、 InxSbyTez、 SnxSbyTez、 GaxSeyTez、 InSbGe、 AglnSbTe、 GeSnSbTe、 TexGeySbzSk禾口 GeSbSeTe。
相變材料層18可具有在約20nm到約200 nm的范圍內的外部直徑d (圖4B)、在 約25 nm到約75 nm的范圍內的高度h (圖4A)和在約25 A到約200 A的范圍內的橫 截面厚度t (圖4A)。所說明的相變材料層18具有約75 nm的直徑d、約50 nm的高度 和約50A的橫截面厚度t。結構參數(shù)不限于上述值；例如，可針對期望的應用來調整所 述參數(shù)。
雖然圖4A的相變材料層18具有與氮化物元件16的第一表面16a在同一平面上的 第一表面18a，但其無意以任何方式進行限制。舉例來說，氮化物元件16的第一表面 16a可比相變材料層18的第一表面18a低，如下文相對于圖6A所論述。
還應注意，相變材料層18無需完全圍繞氮化物元件16。舉例來說，相變材料層18 可部分地圍繞氮化物元件16，以進一步減小相變材料層18的體積，這可會進一步減少 切換相變材料層18的狀態(tài)所必需的電流。
圖5A和圖5B說明在圖4A和圖4B中所說明的整個結構上沉積第二介電層20。隨 后將第二介電層20平坦化到相變材料層18的上表面18a的水平。隨后在相變材料層18 和氮化物元件16上形成第二電極22 (圖2A和圖2B)，以形成相變存儲器元件100 (圖 2A和圖2B)。
雖然說明為形成單個相變存儲器元件，但應了解，所述說明和描述無意以任何方式 進行限制。所屬領域的技術人員將認識到，通常同時在單個襯底上制造多個相變存儲器 元件。單個襯底可含有數(shù)千或數(shù)百萬個相變存儲器元件。相變材料層18是具有固定的可編程體積的活性相變材料，所述可編程體積可被設 置成結晶狀態(tài)或通過傳遞加熱電流而被復位成無定形狀態(tài)。由于切換相變材料層18的 狀態(tài)涉及相變材料的體積減小，所以切換穩(wěn)定性和一致性以及循環(huán)壽命可能隨著相態(tài)混 合的減少而改進。
可視所需的應用而改變氮化物元件16的側壁16b (圖3A)上的相變材料層18的厚 度，以大幅減少相變材料層18與第一電極14和第二電極22 (圖2A和圖2B)之間的接 觸面積、可編程電流橫截面面積以及可編程體積，從而導致可編程電流要求降低。
應注意，雖然將氮化物元件16的側壁16b (圖3A)上的相變材料層18的厚度說明 為均勻的，但其無意在任何方面進行限制。
相變存儲器元件IOO的另一優(yōu)點涉及減輕熱量損失。加熱過程期間常規(guī)相變存儲器 元件中的大部分熱量損失是由于穿過第一和第二電極的熱量傳導而導致的，所述第一和 第二電極具有高導熱率通過減小相變材料層18與第一電極14和第二電極22之間的 接觸面積，可減輕熱量損失的量，從而進一步減少編程電流。
相變存儲器元件100的又一優(yōu)點涉及沉積相變材料層18所用的自對準。因為氮化 物元件16形成于第一電極14上，所以相變材料層18在沉積時在第一電極14上自對準。 相變材料層18與第一電極14的自對準確保了所述兩個組件之間存在電連通。相變材料 層18與第一電極14的自對準可簡化整個相變存儲器元件100的處理和制造，且還可提 高處理量。
圖6A和圖6B說明根據(jù)本發(fā)明構造的相變存儲器元件200的第二示范性實施例。具 體來說，圖6A和圖6B分別說明相變存儲器元件200的局部橫截面圖和局部俯視圖，所 述相變存儲器元件200具有分別形成于氮化物元件216的側壁216a和第二電極222的 側壁222a上的相變材料層218。雖然第二電極222具有與相變材料層218的第一表面 218b在同一平面上的第一表面222b，但其無意以任何方式進行限制。舉例來說，第二 電極222的第一表面222b可比相變材料層218的第一表面218b低或高。相變材料層218 分別在氮化物元件216的側壁216a和第二電極222的側壁222a上自對準。
相變存儲器元件200還包含形成于襯底210上且其中形成有第一電極214的第一介 電層212。在第一介電層212和第一電極214的部分上形成第二介電層220。
圖7A到圖8B說明圖6A和圖6B中所說明的圖6A和圖6B的相變存儲器元件200
的示范性制造方法。在襯底210上形成第一介電層212。在第一介電層212內形成第一
電極214。在第一電極214與第二電極222之間形成氮化物元件216。如上文相對于圖
3A和圖3B所論述的，可將氮化物元件216形成為具有大致上為圓盤狀的形狀(從俯視的角度看(圖7B))，其具有傾斜的側壁216a，以獲得更好的相變材料沉積階梯覆蓋率。 在氮化物元件216上形成第二電極222。也可將第二電極222形成為具有大致為圓盤狀 的俯視形狀(圖7B)，其具有傾斜的側壁，以獲得更好的相變材料沉積階梯覆蓋率。用 于形成氮化物元件216和第二電極222的材料類似于上文相對于圖3A到圖5B所論述的 材料?？捎靡粋€圖案化步驟在原位形成氮化物元件216和第二電極222，盡管其無意以 任何方式進行限制。
圖8A和圖8B分別說明在氮化物元件216的側壁216a和第二電極222的側壁222a 上沉積相變材料層218。相變材料層218可由上文相對于圖4A和圖4B而論述的任何材 料形成?？蓪⑾嘧儾牧蠈?18形成為具有上文相對于圖4A和圖4B而論述的相同尺寸。
隨后在第一介電層212和第一電極214的一部分上沉積第二介電層220 (圖6A)。 相變存儲器元件200 (圖6A)具有大致平坦的表面，這可進一步減小相變存儲器元件 200的整體大小。平坦的表面還可有助于后續(xù)處理步驟期間的更好處理，并且增加相變 存儲器元件200的整體穩(wěn)固性。
雖然將氮化物元件216說明為具有第一表面216b，第一表面216b的長度1比氮化 物元件216的第二表面216c的較短長度l'長，但其無意以任何方式進行限制。舉例來 說，氮化物元件216的第二表面216c的長度l'可等于或大于氮化物元件216的第一表 面216b的長度l。此外，雖然將氮化物元件216的側壁216a說明為大致呈線性，但其 無意以任何方式進行限制。舉例來說，側壁216a可為非線性或具有其它合意形狀。
類似地，雖然將第二電極222的第一表面222b的長度說明為比第二表面222c的長 度長，但其無意以任何方式進行限制。舉例來說，第二電極222的第二表222c的長 度可等于或大于第二電極222的第一表面222b的長度。此外，雖然將第二電極222的 側壁222a說明為大致上呈線性，但其無意以任何方式進行限舉例來說，側壁222a 可為非線性或具有其它合意形狀。
雖然說明為形成單個相變存儲器元件200，但應了解，所述說明和描述無意以任何 方式進行限制。所屬領域的技術人員將認識到，通常同時在單個襯底上制造多個相變存 儲器元件。單個襯底可含有數(shù)千或數(shù)百萬個相變存儲器元件。
圖9A和圖9B說明根據(jù)本發(fā)明的第三示范性實施例構造的多個相變存儲器元件
300。所述多個相變存儲器元件300包含形成于第二介電層320的側壁320a上的相變材
料層318。在具有形成于襯底310上的第一電極314的第一介電層312上形成第二介電
層320。在相變材料層318的側壁318a上形成氮化物元件316。在氮化物元件316上形
成第二電極322，且在第二電極322之間形成第三介電層324。圖9A的氮化物元件316分別具有第一表面316b和第二表面316c，其中第一表面 316b的長度1比第二表面316c的長度l'短；然而，其無意以任何方式進行限制。舉例 來說，第一表面316b的長度可大于或等于第二表面316c的長度l'。
以與圖2A和圖2B中所說明的相變存儲器元件大致類似的方式形成圖9A和圖9B 中所說明的相變存儲器元件300。然而，在形成相變材料層318和氮化物元件316之前， 形成第二介電層320。在第一介電層312和第一電極314上形成第二介電層；接著選擇 性地蝕刻第二介電層，以形成具有傾斜側壁320a的通孔340。在通孔340的側壁320a 和底部340a部分上沉積共形或部分共形的相變材料，并選擇性地對其進行蝕刻，以在 相變材料層318內形成通孔342。在通孔342內沉積氮化物元件316，且對整個中間結 構進行平坦化。在相變材料層318和選擇性地蝕刻到第三介電層324內的通孔內形成第 二電極322。雖然將通孔342說明為具有矩形的橫截面形狀，但其無意以任何方式進行 限制；舉例來說，通孔342可具有除矩形之外的橫截面形狀。
圖IOA和圖10B說明根據(jù)本發(fā)明的第四示范性實施例構造的多個相變存儲器元件 400。所述多個相變存儲器元件400包含形成于第二介電層420的側壁420a上的相變材 料層418，所述第二介電層420形成于第一電極414上。在形成于襯底410上的第一介 電層412內形成第一電極414。在形成于相變材料層418上的氮化物元件416上形成第 二電極422。在第二電極422之間形成第三介電層424。
圖10B的相變材料層418的第一直徑d對應于跨越相變材料層418的最靠近第一電 極414的表面而測量到的直徑。所述相變材料的第二直徑d'對應于跨越相變材料層418 的最靠近第二電極422的表面而測量到的直徑。圖10A說明具有形成于第一電極上的平 坦部分418a和形成于第二介電層420的側壁420a上的兩個橫向部分418b的相變材料 層418。所說明的相變材料層418具有中間部分418a，所述中間部分418a經沉積以涂 覆由直徑d界定的面積，且具有頂表面418a'，頂表面418a'的高度小于相變材料層418 的橫向部分418b的頂表面418b'的高度。
通過提供第二介電層420并對所述介電層420進行圖案化使得形成若干通孔，來形 成圖10A的相變存儲器元件400。將共形或大致共形的相變材料沉積到側壁和通孔的底 部區(qū)上，以形成相變材料層418，隨后沉積氮化物元件416?？蓪φ麄€中間結構進行平 坦化，且沉積并選擇性地蝕刻第三介電層424以形成通孔，第二電極422形成于所述通 孔內。
圖11A和圖11B說明根據(jù)本發(fā)明的第五示范性實施例構造的多個相變存儲器元件
500。所述多個相變存儲器元件500包括形成于第二介電層520的側壁520a上且形成于第一電極514上的相變材料層518。所述相變存儲器元件500幾乎與圖IOA和圖10B中 所說明的相變存儲器元件400完全相同；然而，相變材料層518的側壁518b具有向外 展開的部分518c，其增加了橫向部分518b接近第二電極522的表面積。
圖IIC到圖IIE說明圖IIA和圖11B中所說明的相變存儲器元件500的示范性制 造方法。圖11C說明相變材料層518，其形成為使得相變材料層518具有形成于第二介 電層520的第一表面520b上的側壁518b、底部部分518b和向外展開的部分518c (圖 IIB)，其共同形成溝槽，如圖11C中所說明。在所述溝槽內形成氮化物元件516，使得 氮化物元件516形成于相變材料層518的側壁518a和底部部分518a上。
圖11D說明氮化物元件516和相變材料層518的平坦化，以及形成于經平坦化的表 面526上的第二電極前驅體材料層522'的沉積。 一旦已沉積了第二電極前驅體522'，就 選擇性地蝕刻圖11D的結構，以形成圖11E中所說明的到達第二介電層520的通孔544。 隨后在整個圖11E的結構上沉積第三介電層524 (圖IIA)。
圖11A的向外展開的部分518c的橫截面寬度w大于側壁518b的厚度w'。向外展 開的部分518c的較大寬度w允許接近第二電極522的表面積的量較大。因此，在操作 中，側壁518b中的電流密度顯著大于向外展開的部分518c中的電流密度，以確保只有 側壁518b包括可編程體積并切換狀態(tài)。向外展開的部分518c使可編程體積(側壁518b) 與電極522隔離，以減小電極522的熱量損失，這可進一步減少改變側壁518b的狀態(tài) 所必需的電流。
圖12說明簡化的處理器系統(tǒng)900，其包含存儲器電路901，所述存儲器電路901具 有如上文相對于圖2A到圖11B而描述的根據(jù)本發(fā)明而構造的相變存儲器元件100 (例 如，相變存儲器元件100、 200、 300、 400、 500)。
圖12的處理器系統(tǒng)900可以是任何包含一個或一個以上處理器的系統(tǒng)，例如計算 機系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)900大體上包括中央處理單元(CPU) 902，例如微處理器、數(shù)字 信號處理器或其它可編程數(shù)字邏輯裝置，所述CPU 902經由總線904與輸入/輸出(I/O) 裝置906通信。存儲器電路901通常通過存儲器控制器經由總線904與CPU 902通信。
在計算機系統(tǒng)的情況下，處理器系統(tǒng)900可包含例如壓縮光盤(CD) ROM驅動器
910的外圍裝置，其也經由總線904與CPU902和硬盤驅動器905通信。優(yōu)選將存儲器
電路901構造為集成電路，所述集成電路包含具有根據(jù)本發(fā)明的至少一個相變存儲器元
件100的存儲器陣列903。如果需要的話，存儲器電路901可在單個集成電路中與處理
器(例如CPU 900)組合。
以上描述和圖式只應被視為說明示范性實施例，示范性實施例實現(xiàn)本發(fā)明的特征和優(yōu)點。可在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對特定工藝條件和結構作出修改和替 換。因此，本發(fā)明不應被視為受前面的描述和圖式限制，而是只受所附權利要求書的范 圍限制。
權利要求
1. 一種存儲器元件，其包括襯底，其支撐第一電極；絕緣材料元件，其位于所述第一電極上；相變材料層，其位于所述第一電極上且圍繞所述絕緣材料元件，所述相變材料具有與所述第一電極電連通的下表面；以及第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。
2. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層只形成于所述絕緣材料元 件的側壁上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述絕緣材料元件的第一表面與所述相變 材料層的第一表面在同一平面上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述絕緣材料元件的第一表面低于所述相 .變材料層的第一表面。
5. 根據(jù)權利要求4所述的存儲器元件，其中所述第二電極的第一表面與所述相變材料 層的第一表面在同一平面上。
6. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料在所述第一電極上形成溝 槽，且所述絕緣材料元件定位在所述溝槽內。
7. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層具有第一和第二直徑。
8. 根據(jù)權利要求7所述的存儲器元件，其中所述第一和第二直徑是不同的。
9. 根據(jù)權利要求7所述的存儲器元件，其中所述第一直徑對應于接近所述第一電極的 表面，且所述第二直徑對應于接近所述第二電極的表面。
10. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層具有大約為5.9X104 nm3 的總體積。
11. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層具有在約20 nm到約200 nm的范圍內的直徑。
12. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層具有在約25 rnn到約75 nm的范圍內的高度。
13. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層具有在約25 A到約200 A 的范圍內的橫截面厚度。
14. 根據(jù)權利要求1所述的存儲器元件，其中所述相變材料層包括從由以下各項組成的群組中選出的材料鍺一銻一碲、鍺一碲化物、GaSb、 SbTe、 InSb、 InSe、 InxSbyTez、 SnxSbyTez、 GaxSeyTez、 InSbGe、 AglnSbTe、 GeSnSbTe、 TexGeySbzSk禾口 GeSbSeTe。
15. —種存儲器陣列，其包括多個存儲器元件，至少一個存儲器元件包括 襯底，其支撐第一介電層；第一電極，其結合所述第一介電層而形成；第二介電層，其形成于所述介電層上，且具有到達所述第一電極的通孔； 相變材料層，其位于所述通孔內，且具有與所述第一電極電連通的下表面； 絕緣材料元件，其形成于所述相變材料層的至少側壁部分上；以及 第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。
16. 根據(jù)權利要求15所述的存儲器陣列，其中所述相變材料層只形成于所述絕緣材料 元件的側壁上。
17. 根據(jù)權利要求15所述的存儲器陣列，其中所述絕緣材料元件的第一表面與所述相 變材料層的第一表面在同一平面上。
18. 根據(jù)權利要求15所述的存儲器陣列，其中所述絕緣材料元件的第一表面的高度比 所述相變材料層的第一表面的高度小。
19. 根據(jù)權利要求15所述的存儲器陣列，其中所述相變材料層形成于所述第二介電層 的側壁內和側壁上。
20. 根據(jù)權利要求15所述的存儲器陣列，其中所述絕緣材料元件從俯視的角度看具有 圓盤狀的形狀。
21. —種處理器系統(tǒng)，其包括處理器；以及存儲器裝置，其包括至少一個存儲器元件，所述存儲器元件包括 襯底，其支撐第一電極； 絕緣材料元件，其位于所述第一電極上；相變材料層，其位于所述第一電極上且圍繞所述絕緣材料元件，所述相變材料 具有與所述第一電極電連通的下表面；以及第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。
22. 根據(jù)權利要求21所述的處理器系統(tǒng)，其中所述相變材料層只形成于所述絕緣材料 元件的側壁上。
23. 根據(jù)權利要求21所述的處理器系統(tǒng)，其中所述絕緣材料元件的第一表面低于所述相變材料層的第一表面。
24. 根據(jù)權利要求23所述的處理器系統(tǒng)，其中所述第二電極形成于所述絕緣材料元件 上，且所述第二電極的第一表面與所述相變材料層的第一表面在同一平面上。
25. 根據(jù)權利要求21所述的處理器系統(tǒng)，其中所述相變材料層在所述第一電極上形成 溝槽，且所述絕緣材料元件定位在所述溝槽內。
26. 根據(jù)權利要求21所述的處理器系統(tǒng)，其中所述絕緣材料元件的第一直徑對應于接 近所述第一電極的表面，且第二直徑對應于接近所述第二電極的表面。
27. —種形成存儲器元件的方法，所述方法包括以下動作在襯底上形成第一電極； 在所述第一電極上形成絕緣材料元件；在所述第一電極上形成圍繞所述絕緣材料元件的相變材料層，所述相變材料具有 與所述第一電極電連通的下表面；以及形成與所述相變材料層的上表面電連通的第二電極。
28. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中在所述第一電極上沉積所述絕緣材料元件，且 只在所述絕緣材料元件的側壁上形成所述相變材料層。
29. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中在所述第一電極上沉積所述相變材料層，且在 所述相變材料層的第一表面上和所述相變材料層的側壁上形成所述絕緣材料元件。
30. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中在所述第二電極的側壁上形成所述相變材料層。
31. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中將所述絕緣層蝕刻成具有傾斜的側壁。
32. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中在第一介電層的通孔中形成所述第一電極。
33. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中在形成于第二介電層中的通孔的側壁上形成所 述相變材料層，所述第二介電層形成于所述第一介電層上。
34. 根據(jù)權利要求33所述的方法，其中在所述第二介電層的頂表面的部分上形成所述 相變材料層。
35. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中將所述相變材料層形成為具有在約20 nm到約 200 nm的范圍內的直徑。
36. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中所述相變材料層具有在約25nm到約75nm的 范圍內的高度。
37. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中所述相變材料層具有在約25 A到約200 A的范 圍內的橫截面厚度。
38. —種存儲器陣列，其包括多個存儲器元件，至少一個存儲器元件包括-襯底，其支撐第一電極； 絕緣材料元件，其位于所述第一電極上；相變材料層，其位于所述第一電極上且至少部分地圍繞所述絕緣材料元件，所 述相變材料具有與所述第一電極電連通的下表面；以及 第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。
39.根據(jù)權利要求38所述的存儲器陣列，其中所述相變材料層完全圍繞所述絕緣材料 元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種相變存儲器元件及其形成方法。所述存儲器元件包含支撐第一電極的襯底。絕緣材料元件位于所述第一電極上，且相變材料層形成于所述第一電極上，并且圍繞所述絕緣材料元件，使得所述相變材料層具有與所述第一電極電連通的下表面。所述存儲器元件還具有第二電極，其與所述相變材料層的上表面電連通。
文檔編號H01L45/00GK101416326SQ200780012027
公開日2009年4月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權日2006年4月4日
發(fā)明者軍 劉 申請人:美光科技公司