带有压电或铁电应力诱发垫的相变材料单元

摘要

所揭示的一个示范性实施例是一种相变存储单元。这种存储单元包括相变材料和被定位成接近相变材料的换能件。相变材料是可在至少一个非晶状态与结晶状态之间转换的材料。换能件被配置成在相变材料从非晶状态被改变到结晶状态时激活。在一个特定实施例中，换能件是铁电材料。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机存储器，具体地说与非易失相变存储器件有 关。

背景技术

计算机存储器有两种主要类型：非易失性存储器和易失性存储 器。为了保留信息，在非易失性存储器中不需要而在易失性存储器中 需要持续的能量输入。非易失性存储器件的例子有只读存储器、闪速 电可擦只读存储器、铁电随机存取存储器、磁随机存取存储器和相变 存储器（Phase Change Memory）。易失性存储器件的例子有动态随 机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。本发明 所涉及的是相变存储器。

在相变存储器中，信息存储在可以被操控成处于不同相位的材料 内。这些相位各呈现不同的电特性，这可以用来存储信息。非晶相和 晶相通常是两个用于比特存储（1和0）的相位，因为它们在电阻上具 有可检测的差别。具体地说，非晶相具有比晶相高的电阻。此外，在 相变材料中非晶相和晶相是可逆的。

玻璃硫族化物是一组通常可用作相变材料的材料。这组材料含有 硫族元素（周期表组16/VIA）和多正电性元素。在制作相变存储器单 元时用来生产玻璃硫族化物的这组中，硒（Se）和碲（Te）是两种最 常用的半导体。这种玻璃硫族化物的例子可以是Ge₂Sb₂Te₅(GST)、 SbTe和In₂Se₃。然而，有些相变材料没有应用硫族元素，诸如GeSb。 因此，许多材料都可以用于相变材料单元，只要它们可以保留非晶状 态和结晶状态。

相变存储单元通过施加强度足以改变相变材料内部的相位的脉 冲予以编程。这通常是通过通过相变材料施加电脉冲来实现的。在初 始状态是非晶态时，在雪崩电流要开始流动前电脉冲必须克服与门限 电场相应的门限电压（Vt），由于电阻加热，相变材料就改变它的相 位。后沿快速转换的强度较高的短持续时间电流脉冲导致相变材料熔 化和迅速冷却。相变材料没有时间形成有组织的晶体，从而产生非晶 态的固相。强度较低的长持续时间脉冲使相变材料加热和缓慢冷却， 因此结晶成晶相。可以调整脉冲的强度和持续时间，以产生不同等级 的电阻，从而可用于在一个存储单元内存储多个比特。

相变存储单元通过施加强度不足以编程，即不足以改变材料相位 的脉冲来读取。于是可以将对这个脉冲的阻抗读作"1"或"0"。具有较 大阻抗的非晶相通常用来表示二进制0（复位状态）。具有较小阻抗 的晶相可以用来表示二进制1（置位状态）。在有不同等级的阻抗的 单元中，这些态相可以用来表示例如"00"、"01"、"10"和"11"。

发明内容

本发明的一个示范性实施例是一种存储单元。这种存储单元包括 相变材料和被定位成接近相变材料的压电换能件。相变材料是可在至 少一个非晶状态与结晶状态之间转换的材料。换能件被配置成在相变 材料处于非晶状态时被激活。

在一个实施例中，压电换能件是铁电材料。可以将相变材料和铁 电材料制造成使得与相变材料的门限电压（Vt）关联的电场大于铁电 材料的矫顽场。在这个实施例中，在电场撤除后换能件可以保持在被 极化的状态。

在第二实施例中，压电换能件不是铁电材料。在这个实施例中， 换能件只有在存在电场时动作。

本发明的另一个示范性实施例是一种操作带有接近相变材料的 铁电换能件的存储单元的方法。这种方法包括将接近处于非晶状态的 相变材料的铁电材料极化的极化步骤。此外，这种方法可以包括被设 计成使非晶相稳定的步骤和增大相变材料的置位速度的步骤。

本发明的又一个示范性实施例是制造相变存储单元的过程。这种 方法包括形成底电极、在底电极之上的绝缘层内形成管孔、将压电材 料淀积在管孔内、将相变材料淀积在管孔内接近压电材料和在相变材 料上形成顶电极。将压电材料淀积在管孔内的步骤可以包括使压电材 料与限定管孔的至少一个壁相符，使得压电材料淀积在相变材料与壁 之间。这种共形淀积可以用化学气相淀积（CVD）或用原子层淀积 （ALD）实现。

附图说明

在本说明书后的权利要求书中具体指出和明确给定了本发明的 主题。从以下结合附图所作的详细说明中可以清楚地看到本发明的上 述这些和其他一些目的、特征和优点，在这些附图中：

图1A例示了本发明所设想的一个示范性存储单元的剖视图；

图1B例示了本发明所设想的另一个示范性存储单元的剖视图；

图2示出了操作本发明所设想的存储单元的示范性流程图；

图3示出了操作本发明所设想的存储单元的另一个示范性流程 图；

图4示出了制造根据本发明的一个相变存储单元的示范性流程 图；

图5示出了制造根据本发明的另一个相变存储单元的示范性流程 图；

图6示出了本发明的实施例的示范性半成品结构(intermediate  fabrication structure)；和

图7示出了本发明的实施例的另一个半成品结构的剖视图。

具体实施方式

下面将参照本发明的实施例对本发明进行说明。在对本发明的说 明中都参照了图1-4。

图1A例示了本发明所设想的示范性存储单元102的剖视图。所 设想的是，存储单元102是被封装成例如PCRAM集成电路的存储单 元阵列的一部分。示范性存储单元102包括绝缘层104、底电极106 和在绝缘层104内的管孔108。管孔108衬有换能层110和填有相变 材料112。相变材料112盖有顶电极114。

存储单元102通常形成在带有金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）（未示出）的基片上。本领域技术人员所知的其他开关 器件，诸如结型FET和双极型结型晶体管，可以配合本发明一起使用。

顶电极106和底电极114是导电体，被配置成产生穿过传感器层 110和相变材料112的电场。可以用许多材料来制造电极106和114， 诸如但不局限于，氮化钛（TiN）、钨（W）、银（Ag）、金（Au）、 氮化钽（TaN）、氮化钽硅（tantalum silicon nitride，TaSiN）、钌 （Ru）或铝（Al）。

绝缘层104是电绝缘的，而且可以还是热绝缘的。绝缘层104可 以由例如二氧化硅（SiO₂）组成。绝缘层104内的管孔108（有时称 为通孔）可以用许多已知制造技术，诸如湿蚀刻形成。在本发明的一 个实施例中，管孔108的深度对于180nm CMOS技术来说近似为500 nm，而长宽比至少为2:1。

管孔108衬有换能层110。共形换能层110可以用本领域技术人 员所知的许多技术形成，诸如化学气相淀积（CVD）、原子层淀积 （ALD），随后再用各向异性工艺蚀刻，以便打开底端接触。

在本发明的一个实施例中，换能层110由压电材料组成。许多已 知的压电材料可以用于换能层110，诸如氮化铝（AlN）和氧化锌（ZnO） 之类。压电材料被配置成使得跨在压电材料两端的电压降可以产生需 施加到相变材料112上的应力。因此，压电材料起着换能件的作用； 将电能转换成机械能。也就是说，换能件所施加的应力是可重新编程 的。

在存储单元102的一个实施例中，压电材料是铁电材料，诸如锆 钛酸铅（PZT）、BaTiO₃（BTO）、YMnO₃（YMO）、Pb(Mg_0.33Nb_0.66)_1-xTi_xO₃（PMN-PT）或硫酸三甘肽（TGS）之类。铁电材料的 特征至少表现为矫顽场和居里温度。矫顽场是为翻转极化所必需的横 贯铁电材料的电场。居里温度是超过这个温度铁电材料就不呈现自发 极化的温度。

相变材料层112也是淀积在管孔108内，接近换能层110。如上 所述，相变材料112是可在至少一个非晶状态与结晶状态之间转换的 材料。相变材料112可以包括诸如Ge₂Sb₂Te₅（GST）、SbTe和In₂Se₃之类的材料。

管孔内的相变材料的特征至少表现为门限电压、结晶温度和熔化 温度。门限电压是为产生雪崩电流加热相变材料112并使之从非晶状 态改变为结晶状态所必需的加在相变材料112两端的电压。在本发明 的一个实施例中，将相变材料112和换能层110内的铁电材料构造成 使得与相变材料112的门限电压关联的电场大于铁电材料的矫顽场。

结晶温度是超过这个温度处于非晶状态的相变材料112就开始结 晶的温度。在本发明的一个实施例中，将相变材料112和换能层110 内的铁电材料构造成使得相变材料112的结晶温度小于铁电材料的居 里温度。因此，即使在相变材料从非晶状态改变为结晶状态后，换能 层110所给予的应力也将继续保持下去。

熔化温度是超过这个温度相变材料112开始熔化的温度。在本发 明的一个实施例中，将相变材料112和换能层110内的铁电材料构造 成使得相变材料112的熔化温度小于铁电材料的居里温度。因此，即 使在相变材料复位状态被刷新后，换能层所给予的应力也将继续保持 下去。

应注意的是，为了例示起见已对这个所示的示范性存储单元102 作了简化。可以设想，可以使用不背离本发明的精神和范围的存储单 元设计。例如，可以只是将相变材料112部分设置在底电极108与顶 电极114之间。

存储单元可以与控制器116耦合。如在下面要更为详细讨论的那 样，控制器116被配置成在将相变材料从非晶状态改变到结晶状态前 激活换能层110。在一个实施例中，由控制器116将一电脉冲加到换 能层110上。电脉冲的幅度是低于门限电压的电压。这个第一电脉冲 使压电材料极化成使得换能件将张应力加到相变材料112上。由于将 张应力加到相变材料上，相变材料就通过提高的门限电压和降低的电 阻率漂移来稳定非晶相而作出响应。

图1B示出了本发明所设想的示范性存储单元150的另一个实施 例。在这个实施例中，顶电极164盖住换能层166，并延伸到管孔的 边际。然而，存储单元150可以制成带有在换能层166内形成的顶电 极164，如图1A中所示。

图1B的存储单元150包括在绝缘基片中形成的底电极152。通 过淀积一层诸如二氧化硅或氮化硅之类的绝缘介质材料154和导电层 155形成层叠。导电层155被构图以形成中央在底电极之上的一些导 电线156。单元150包括由铁电材料组成的换能层166。相变材料162 淀积在管孔内，接近换能层166，并与底电极152接触。在相变材料 162上形成顶电极164。

控制器160被配置成将第一电脉冲加到换能层166上。这个电脉 冲的幅度是低于门限电压的电压。这个第一电脉冲使铁电材料极化， 并且即使在脉冲撤除后也保持在矫顽值，使得换能件将张应力加到相 变材料162上。由于将张应力加到相变材料上，相变材料162就通过 提高的门限电压和降低的电阻率漂移来稳定非晶相而作出响应。

在另一个实施例中，控制器116或160被配置成在将相变材料112 或162从晶相改变到非晶相后施加第二电脉冲。这个第二脉冲具有与 第一脉冲相反的极性但低于V_coercive（与矫顽场相应的电压），因此使 换能件将压应力(compressive stress)加到相变材料112或162上。由于 将压应力加到相变材料112或162上，相变材料就降低它的电阻率和 门限电压，这导致加快重新结晶。

应注意的是，用铁电作为换能件的实施例与使用压电而非铁电的 换能件相比具有许多优点。在极化步骤后，铁电材料的剩余极化导致 有剩余应力施加到相变材料上。可以通过改变在铁电材料已被极化后 加到铁电材料上的电压脉冲的极性，改变铁电施加到相变材料上的应 力的方向。在后一种情况下，在所施加的电场与铁电极化相反时，铁 电材料受到压张力(compressive strain)（因此将压应力施加到相变材 料上）。相反，在所施加的电场与铁电极化平行时，铁电材料呈现进 一步伸长，因此将张应力施加到相变材料上。此外，在压电材料也是 铁电的情况下，与张力有关的压电系数随着所施加的电压而增大。

现在来看图2，图中示出了操作本发明所设想的存储单元的示范 性流程图202。如在本领域技术人员可以看到的，本发明可以具体体 现为一种系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明可以呈现为完 全硬件实施形式、完全软件实施形式（包括固件、常驻软件、微码等） 或软件和硬件组合实施形式，这些可以在这里通常都称为“电路”、 “模块”或“系统”。此外，本发明还可以呈现为以一个或多个具有 计算机可读程序代码的计算机可读媒体形式体现的计算机程序产品。

过程一开始是供电操作204。在这个步骤期间，对接近处于非晶 状态的相变材料的换能件供电。这使换能件将张应力加到相变材料上。 如上所述，这个应力降低了非晶态的相变材料的电阻率和门限电压， 从而导致加快重新结晶。

电流被配置成使得压电材料两端的电压降小于相变材料的门限 电压。在供电操作204完成后，过程进至加热操作206。

接着，在加热操作206，将相变材料加热到使得相变材料至少一 部分从结晶状态改变到非晶状态。也就是说，使相变材料的温度上升 到超过它的熔化温度。在这个操作期间，换能件不可能受到激活，因 为结晶状态是导电的，因此相变材料旁路了压电制动器。

在一个实施例中，在加热操作208期间，换能件维持加到相变材 料上的张应力。这使熔化温度降低。加热操作208一完成，控制就转 到供电操作210。

在供电操作210，在相变材料从结晶状态改变到非晶状态后换能 件将张应力加到相变材料上。如以上所讨论的，加到非晶态的相变材 料上的张应力可以有助于增加存储单元的保持时间，因此改善了存储 单元的性能。

现在来看图3，图中示出了操作带有接近相变材料的铁电换能件 的存储单元的示范性流程图302。

在极化步骤304，使接近处于非晶状态的相变材料的铁电材料极 化。如以上所讨论的，这个步骤稳定了非晶相和增大了相变材料的置 位速度。这个极化步骤可以在复位步骤后进行，造成剩余的铁电极化。

由于极化，电压脉冲幅度低于相变材料的门限电压，而产生的电 场比铁电材料的矫顽场强。此外，铁电的极化方向取决于电压脉冲的 极性，但是这剩余极化方向导致有张应力施加到相变材料上。

在施加操作306，沿与在极化铁电换能件后铁电换能件的极化方 向相同的方向施加电场。沿极化方向施加电场将进一步增大加到相变 材料上的张应力。施加到相变存储器材料上的张应力将降低电阻率和 门限电压的漂移，从而增大非晶相的稳定性。

稍后，施加操作308沿与在极化铁电换能件后铁电换能件的极化 方向相反的方向施加电场。这个步骤调整通过铁电材料所施加的应力， 因此调整正要结晶（置位步骤）或正在结晶的相变材料。在置位步骤 期间或刚好在其之前，所施加的电压是使它产生与剩余极化的相反的 场，将压应力施加到相变材料上。在结晶前或在结晶期间将压应力施 加到相变材料上导致加快结晶过程。

然后，加热步骤310将相变材料加热到使得相变材料至少一部分 从非晶状态改变到结晶状态。在这个操作期间，通过施加产生热的电 流脉冲，使相变材料受到加热，并最终熔化相变材料。相变材料然后 受到淬火，以成为非晶相。在复位步骤期间，如果铁电材料被加热到 低于它的居里温度，它将仍呈现为铁电性的，保持剩余铁电极化。如 果它被加热到超过居里温度，剩余极化就会消失。不论哪种情况，在 非晶相形成后，所希望的是再次使铁电材料极化，以诱发最大剩余极 化。

图4示出了制造根据本发明的相变存储单元的示范性流程图 402。方法一开始是操作404，在绝缘基片内形成底电极。如以上所讨 论的，可以用许多导电材料来制造底电极，诸如但不局限于，氮化钛 （TiN）、氮化钽（TaN）、氮化钽硅（TaSiN）、钌（Ru）、钨（W）、 银（Ag）、金（Au）或铝（Al）。此外，绝缘基片可以是例如二氧化 硅（SiO₂）。本领域技术人员将认识到，可以用诸如溅射淀积之类的 许多方法将底电极淀积到绝缘基片上。

然后，在操作406，在中央在底电极之上的绝缘层内形成管孔。 这个管孔可以例如用化学蚀刻形成。如以上所讨论的，在一个实施例 中，对于180nm CMOS技术来说管孔近似为500nm，而它的长宽比 至少为2:1。

然后，在操作408，将管孔内的压电材料淀积在管孔内。在本发 明的一个实施例中，将压电材料淀积在管孔内包括使压电材料与限定 管孔的至少一个壁相符，使得压电材料淀积在相变材料与这至少一个 壁之间。可以使用许多已知的压电材料，诸如氮化铝（AlN）、氧化 锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT）、BaTiO₃（BTO）、YMnO₃（YMO）、 Pb(Mg_0.33Nb_0.66)_1-xTi_xO₃（PMN-PT）或硫酸三甘肽（TGS）之类。可 以用本领域技术人员所知的许多技术，诸如化学气相淀积（CVD）， 将压电材料淀积在管孔内。

然后，在操作410，将相变材料淀积在管孔内接近压电材料。如 上所述，相变材料可以包括诸如Ge₂Sb₂Te₅（GST）、SbTe和In₂Se₃之类的材料。

操作410一完成，过程流程就进至操作412。在操作412，形成 在相变材料之上的顶电极。如同底电极那样，顶电极用例如溅射淀积 形成。可以用许多导电材料来制造顶电极，诸如但不局限于，氮化钛 （TiN）、氮化钽硅（TaSiN）、钌（Ru）、钨（W）、银（Ag）、 金（Au）或铝（Al）。

图5示出了按照本发明的制造图1B所示的第二种相变存储单元 150的示范性流程图502。方法一开始是操作504，其中在绝缘基片内 形成底电极152。如以上所讨论的，底电极可以用许多导电材料制成， 诸如氮化钛（TiN）、钨（W）、氮化钽（TaN）、氮化钽硅（TaSiN）、 钌（Ru）或铝（Al）。此外，绝缘基片可以是例如二氧化硅（SiO₂）。 本领域技术人员将认识到，可以用诸如溅射淀积之类的许多方法将底 电极淀积到绝缘基片上。

然后，在操作505，通过淀积一层诸如二氧化硅或氮化硅之类的 绝缘介质材料154，接着淀积一导电层155，形成至少第一层叠。导电 层155可以用许多导电材料制成，诸如氮化钛（TiN）、钨（W）、 氮化钽（TaN）、氮化钽硅（TaSiN）、钌（Ru）、银（Ag）、金（Au） 或铝（Al）。

然后，在操作506，对导电层155构图，以形成中央在底电极上 方的导电线156。

然后，在操作508，通过在经构图的导电线156的顶上淀积另一 层绝缘材料157，完成第一层叠。本领域技术人员很清楚，可以重复 操作505-508，以形成另外一些导电线层。

然后，在操作509，在由两个绝缘层和插在它们之间的经构图的 导电线形成的第二层叠内，形成中央在底电极上方的管孔158。在本 发明的一个实施例中，管孔158可以例如用化学蚀刻形成，而至少一 个壁露出经构图的导电线156的一部分1155。如以上所讨论的，在一 个实施例中，对于180nm CMOS技术来说管孔近似为500nm，而它 的长宽比至少为2:1。

然后，在操作510，将压电材料或铁电材料160淀积在管孔内。 在本发明的一个实施例中，在管孔内淀积压电材料或铁电材料160包 括使压电材料或铁电材料与限定管孔的至少一个壁相符，因此压电材 料或铁电材料淀积在相变材料与这至少一个壁之间，与经构图的导电 线156的露出部分1155接触。可以使用许多已知的压电材料和铁电材 料，诸如氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT）、BaTiO₃（BTO）、YMnO₃（YMO）、Pb(Mg_0.33Nb_0.66)_1-xTi_xO₃（PMN-PT） 或硫酸三甘肽（TGS）之类。可以用本领域技术人员所知的许多技术， 诸如化学气相淀积（CVD），将压电材料或铁电材料淀积在管孔内。

然后，在操作511，将相变材料162淀积在管孔内，接近压电材 料或铁电材料并与底电极接触。如上所述，相变材料可以包括诸如 Ge₂Sb₂Te₅（GST）、SbTe和In₂Se₃之类的材料。

操作511一完成，工艺流程进至操作512。在操作512，在相变 材料上形成顶电极164。如同底电极那样，顶电极用例如溅射淀积形 成。顶电极可以用许多导电材料制成，诸如氮化钛（TiN）、钨（W）、 氮化钽（TaN）、氮化钽硅（TaSiN）、钌（Ru）、银（Ag）、金（Au） 或铝（Al）。

现在来看图6，图中示出了本发明的示范性半成品结构602。结 构602包括淀积在一个或多个底电极606上的绝缘层604。如以上所 讨论的，绝缘层604可以由例如二氧化硅（SiO₂）组成。底电极604 可以由例如钨（W）组成。

中间电极608由绝缘层604承载。在一个实施例中，中间电极608 由铝（Al）组成。如图所示，中间电极形成导电层，该导电层被构图 以产生中央在底电极606上方的导电垫612，并且在绝缘层604内一 形成管孔610，中间电极就围着这些管孔610。这种配置使中间电极 608可以激活一部分压电材料。

图7示出了另一个半成品结构702的剖视图。结构702例示了由 绝缘层604承载的几个中间电极608。这些中间电极608与管孔610 内的压电材料704电耦合。通过有选择地对中间电极608供电，可以 激活压电材料704的各个部分。

附图中的这些流程图和方框图例示了按照本发明的各个实施例 的系统、方法和计算机程序产品的可行实现的体系结构、功能和操作。 在这方面，在流程图或方框图内的每个方框可以表示包括一个或多个 实现所指定的罗辑功能的可执行指令的代码的模块、段或部分。还应 指出的是，在有些可供选择的实现中，方框内所示的功能可以并不按 附图中所示的次序执行。例如，示为相继的两个方框实际上可以大体 同时执行，或者有时可以以相反的次序执行，这取决于所涉及的功能。 还要指出的是，这些方框图和/或流程图中所例示的每个方框以及这些 方框图和/或流程图中所示的一些方框的组合，可以用执行所指定的功 能或操作的基于专用硬件的系统实现，或者用专用硬件和计算机指令 的组合实现。

虽然以上对本发明的优选实施例作了说明，但可以理解，本领域 技术人员无论现在还是将来都可以对这些实施例进行各种改善和增 强，这些改善和增强都在所附权利要求书所给出的本发明的保护范围 之内。因此，应将所附权利要求书理解为维护对以上所述发明的正当 保护范围。