专利名称：相转移元件及其制造方法与相转移记忆胞的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种记忆系统，特别是一种相转移记忆胞的制造方法、系统以及装置。
背景技术：
利用电可读写相转移材料(亦即，可在一般非结晶态与一般结晶态之间电力切换的材料)用于电记忆体应用的观念是为熟悉此技艺者所熟知。一种典型的相转移材料是一种材料具有两种一般状态一种一般非结晶态与一种一般结晶态。该相转移材料可以包括一或多种硫属化合物，其至少包含一或多种以下的材料碲、硒、锑、镍、锗及其中的各种组合。该相转移材料可以从一种状态切换至另一种状态，藉由一电流通过该相转移材料以使其改变状态。典型地在该第一状态(例如，非结晶态)中，该相转移材料有一相对高的阻抗，且在该第二状态(例如，结晶态)中，该相转移材料有一相对低的阻抗。如同该相转移材料的状态只能藉由施加能量而改变，所以该相转移材料一般是非依电性，因为不需要能量以保持目前的状态。而且，因为该相转移材料的电阻随着该状态变化，于是该相转移材料可以可靠地使用以储存二进位资料，例如可能使用于电脑中的记忆体胞或其他二进位资料储存的使用。
传统的相转移记忆体胞结构包括与该相转移记忆体元件串联的一晶体管或二极管作为导引元件。图1A显示一习知技艺的相转移记忆体胞阵列100。四个记忆体胞100A至100D包含于该记忆体胞阵列100中。每个记忆体胞100A包括一晶体管102作为导引元件，及一相转移元件104作为一记忆体元件。图1B显示另一习知技艺的相转移记忆体胞阵列150。四个记忆体胞160A至160D包含于该记忆体胞阵列150中。一二极管152是用以替代该晶体管102作为该导引元件，及一相转移元件104作为一记忆体元件。导引元件的需求增加相转移记忆体胞的整体尺寸、成本、复杂性及电源消耗。
典型地，更佳的是在该相转移元件104一端的一般地小接触结构。小接触结构可以产生较小的整体装置尺寸，从而容许此类相转移记忆体胞的更密集地封装整合电路。然而，更重要地，较小的接触区域也可以产生较低的切换电流以及结果地，较低的整体切换电源消耗。可是，形成此一小接触结构所需的该制造过程是非常复杂，而且因此有一相当高的过程成本。
鉴于上述，存在一需求以较简单、较小、较高电源效率及更容易制造的相转移元件，其可以更有效地使用在例如相转移记忆体胞中。
发明内容
大体而言，本发明藉由提供一种改良且简化的相转移元件以及用于制造该改良且简化的相转移元件的该等方法，填满了这些需求。应该认知本发明可以多种方式实施，包含如一处理器、一种装置、一种系统、电脑可读取媒体、或一元件。本发明的数个发明实施例描述如下。
一实施例提供一相转移元件，其包含一第一接触电极结构，一相转移材料及介于该相转移材料与该第一接触电极结构之间的一第一绝缘材料，以及与该相转移材料接触的一第二接触电极。也包含形成于介于该第一接触电极结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中的一接触结构。该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
该第一绝缘材料可以形成于该第一接触电极结构的上端，而该相转移材料可以形成于该第一绝缘材料的上端，且该第二接触电极结构可以形成于该相转移材料的上端。另一方面，该相转移材料可以形成于该第一接触电极结构的上端，而该第一绝缘材料可以形成于该相转移材料的上端，且该第二接触电极结构可以形成于该第一绝缘材料的上端。
该第一接触电极结构可以包含一或多个材料层，例如硅、铝合金、碳、钨、铜、钛、或氮化钛(TiN)。该第二接触电极结构可以包含一或多个材料层，例如硅、铝合金、碳、钨、铜、钛、或氮化钛(TiN)。该第一接触电极结构可以包含一插入结构。该第二接触电极结构可以包含一插入结构。该第一接触电极结构可以包含一或多层。该第二接触电极结构可以包含一或多层。
该第一绝缘材料可以包含一氧化物。特别地，该第一绝缘材料可以包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、四氮化三硅(Si3N4)、或氮氧化硅(SiON)的至少一种。
该相转移元件也可以包含在该第一接触电极结构与该第二接触电极结构的至少之一附近形成的一第二绝缘材料。该第二绝缘材料可以包含一氧化物。另一方面，该第二绝缘材料可以包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、四氮化三硅(Si4N4)、或氮氧化硅(SiON)的至少一种。
该相转移材料可以包含一硫属化合物材料。该相转移材料可以包含碲、硒、锑、镍、锗、银及其中的组合。该相转移材料有介于大约1nm至大约100nm之间的一厚度。
该第一接触电极结构有大约10nm至大约1000nm的一厚度。该第二接触电极结构有大约10nm至大约1000nm的一厚度。该第一绝缘层有大约1nm至大约30nm的一厚度。该接触有大约1nm至大约1000nm的一尺寸。该第一接触电极结构可以包含一位元线结构或一接触插入结构。该第二接触电极结构可以包含一字线结构或一接触插入结构。
该相转移元件也可以包含多个位元线结构及多个字线结构，其配置以形成一阵列。该阵列包含多个重叠点。该第一绝缘材料的一层及该相转移材料的一层在每个该等重叠点分开每个该等位元线结构及每个该等字线结构。每个该等重叠点包含穿过该第一绝缘材料的该层的一对应接触结构。
另一实施例包含一相转移记忆体胞。该相转移记忆体胞包含一位元线结构及在其上端的一第一绝缘材料。一相转移材料是在该第一绝缘材料的上端及一字线结构是在该相转移材料的上端。一接触结构是形成于介于该位元线结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中。该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
而另一实施例提供一种形成一相转移元件的方法。该方法包含形成一三明治结构，其包含一第一接触电极结构，一相转移材料的一层，介于该第一接触电极结构与该相转移材料的该层之间一第一绝缘材料，以及与该相转移材料的该层接触的一第二接触电极结构。该方法也包含在该第一接触电极结构与该第二接触电极结构重叠处的一选择点经由该第一绝缘材料形成一接触结构，其中该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
该第一接触电极结构可以包含形成一第一导电层在一基板上，该基板移除该第一导电层的一部分以形成第一接触电极结构，并以一第二绝缘材料填满该第一导电层的该移除部分。
形成该第二接触电极结构可以包含在该相转移材料的该层的上端形成一第二导电层，并且移除该第二导电层的一部分以形成该第二接触电极结构。
移除该第二导电层的该部分以形成该第二接触电极结构可以包含移除该相转移材料的一部分。该绝缘材料分解过程可以包含施加一固定电流，一固定电压，一步进电流，或一步进电压的至少之一至该第一接触电极结构及该第二接触电极结构。
另一实施例提供一相转移元件，包含一第一接触电极结构及在该第一接触电极结构的上端形成的一相转移材料。一第一绝缘材料是形成于该相转移材料的上端，以及一第二接触电极结构是形成于该第一绝缘材料的上端。一接触结构是形成于介于该第二接触电极结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中。该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
本发明由于该简化结构而减低该相转移记忆体胞的制造成本。而且，由于该小接触尺寸也可以提供一低电源消耗的相转移记忆体胞或其他相转移元件，而可以减低该操作电流。
从以下的详细说明，结合伴随的图示，经由本发明的原理范例，本发明其他方面及优点将成为显而易见的。
图1A显示一习知技艺的相转移记忆体胞阵列。
图1B显示另一习知技艺的相转移记忆体胞阵列。
图2显示根据本发明的一实施例，一相转移记忆体元件如一三明治结构。
图3显示根据本发明的一实施例，藉由一氧化物分解过程形成一相对地小接触。
图4是根据本发明的一实施例，一相转移记忆体胞的该非线性电流及电压特性的一图表。
图5是根据本发明的一实施例，四个相转移记忆体胞的一区块图。
图6显示根据本发明的一实施例，四个相转移记忆体胞的一阵列。
图7是根据本发明的一实施例，构成一相转移元件的该方法运作的一流程图。
图8A-8F显示根据本发明的一实施例，该等相转移元件的构成阶段。
100记忆体胞阵列 102晶体管104相转移元件110A-110D记忆体胞150习知技艺的相转移记忆体胞阵列 152二极管160A-160D记忆体胞200三明治结构202导体 204相转移材料206绝缘体208导体302小接触502相转移记忆体胞504相转移记忆体胞506相转移记忆体胞508相转移记忆体胞510泄漏电流路径602相转移记忆体胞604相转移记忆体胞606相转移记忆体胞608相转移记忆体胞622字线 624字线626位元线628位元线800相转移元件802基板804导电材料 804A-804C位元线结构806A-806C第一绝缘材料810第二绝缘材料812相转移材料薄膜814导电材料814A-814C字线结构具体实施方式
现在将描述用于一改善的相转移元件及相转移记忆体胞的数个示范的实施例。对于熟悉此项技艺者，本发明缺少于此提出的一些或全部具体细节而可以实施，将是显而易见的。
相转移记忆体胞是为非常快速且非挥发性。因此，相转移记忆体胞结构可以是下一代资料存储器(即记忆体)的一极好的选择。本发明描述一改善的相转移记忆体胞及一种用于制造该改善的相转移记忆体胞的方法。该揭示的相转移记忆体胞比习知技艺中所描述的有更佳电源效率。
在一实施例中，该相转移接触尺寸减少至一最小尺寸，俾使当维持一足够电流密度时，减低该驱动电流。该最小接触尺寸是藉由该制造技术而限制，并且制造该小接触的成本是非常高。
所揭示的新相转移记忆体胞结构包含导体/相转移材料/绝缘体/导体的一三明治结构，其中该记忆体胞是形成于该两个导体的交点。该绝缘体可以是一氧化物或其他适合的绝缘体。
一小接触可以藉由一绝缘体分解过程而形成。在此方法中，控制该绝缘体分解过程可以最小化该接触尺寸。该绝缘体也提供一绝缘体用于该非程式化胞，其可以同时阻止用于一未经处理的阵列的泄漏通路并在一次程式化(0TP)应用中增加该感应幅度。
图2显示根据本发明的一实施例，一相转移记忆体元件如一三明治结构200。该三明治结构200包含一第一导体202，一相转移材料204，一绝缘体206及一第二导体208。该等导体202及208可以是硅，钨，或其他适合的金属(例如铜，钛等)，多种金属的组合，或其他适合的导电材料(例如镍化钛，碳)。该等导体202及208应该能够承受一高温操作而不会熔化。该导体208可以经由习知方法形成一接触插入或通道插入。该相转移记忆体元件可以用于与一习知导引元件(例如晶体管102，二极管152)的组合中。该等导体202及208的厚度可以在一从大约10奈米(nm)至大约1000nm的范围之中。
该绝缘体206可以是二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、四氮化三硅(Si3N4)、或氮氧化硅(SiON)、或任何其他适合的绝缘体材料。该绝缘体206应该具有已知的包含该电场以分解，绝缘体可靠度，温度稳定性，附着力特性至相邻层204及208，等等属性。该等产生的记忆体胞的操作条件(例如需要驱动电流及最小读取电流等等)是至少部分取决于该选择的绝缘体材料组成及厚度。该绝缘体206可以具有介于大约1nm至大约30nm之间的一厚度。该相转移204可以具有介于大约1nm至大约100nm之间的一厚度。
应该能了解该三明治结构200可以由形成于该第一接触电极结构的上端的该第一绝缘材料，形成于该第一绝缘材料的上端的该相转移材料以及形成于该相转移材料的上端的该第二接触电极结构而形成。另一方面，该三明治结构200可以由形成于该第一接触电极结构的上端的该相转移材料，形成于该相转移材料的上端的该第一绝缘材料以及形成于该第一绝缘材料的上端的该第二接触电极结构而形成。
图3显示根据本发明的一实施例，藉由一氧化物分解过程形成一相对地小接触302。该小接触302可以是大约1nm至大约1000nm。该小接触302的尺寸是藉由该分解条件而决定。经由范例，一产品规格可以界定一所需最大驱动电流及/或一所需最小读取电流。该特定的最大驱动电流及/或一最小读取电流将决定该小接触302的所需尺寸。
该小接触302的实际尺寸是藉由该绝缘体分解过程参数(例如电流，电压，时间等等)而决定。在一示范的绝缘体分解过程中，一10伏特偏压可以施加至一6.5nm厚的二氧化硅(SiO2)绝缘层。该二氧化硅绝缘层将分解且一小接触302将形成。增加或减少该绝缘层的厚度可以要求更大或更小的偏压及/或电流使得一相等的绝缘体分解发生。更进一步，除了二氧化硅的一绝缘层材料可以要求不同的偏压及/或电流使得一相等的绝缘体分解发生。该分解过程可以在一固定电流模式，一固定电压模式，一步进电流模式，一步进电压模式或其他适当的过程中完成。当确保一足够电流密度在该接触密度时，该小接触尺寸允许使用一小操作电流使得该相转移材料204改变状态。
图4是根据本发明的一实施例，一相转移记忆体胞的该非线性电流(I)及电压(V)特性的一图表400。图5是根据本发明的一实施例，四个相转移记忆体胞的一区块图500。三个相转移记忆体胞502，504及506没被选取。没选取该三个相转移记忆体胞502，504及506是因为它们每一个具有一小于该启动电压的偏压。该没选取的三个相转移记忆体胞502，504及506具有一低泄漏电流(例如小于大约0.1mA，如图4所示)与一泄漏电流路径510。该泄漏电流路径串联地流经胞502，504及506。
一第四相转移记忆体胞508具有一偏压足够启动该相转移记忆体胞508而因此被选取。导经该选取的相转移记忆体胞508的电流是大约1.6mA(如图4所示)。
如前图1A及1B所述，该习知相转移记忆体胞需要可以是一晶体管或一二极管中任一之一导引元件。然而，由于在此所述的该相转移元件结构的表现，一单一相转移元件可以不需要一分开的导引元件而用做为该记忆体胞。然而，应该注意以一小接触结构形成的一相转移记忆体胞可以与一分开的导引元件而使用。
图6显示根据本发明的一实施例，四个相转移记忆体胞的一阵列600。该四个相转移记忆体胞602，604，606及608的每一个包含一单一相转移元件耦合于该分别的字线622及624以及位元线626及628。该阵列600是较该传统设计更简单。由于该相转移元件的自我校直结构，该过程流可以是非常简单及该胞区域可以最小化且该制造成本可以实质递减低。
图7是根据本发明的一实施例，构成一相转移元件的该方法运作700的一流程图。图8A-8F显示根据本发明的一实施例，该等相转移元件800的构成阶段。现在参考图7及8A，在一运作705中，导电材料804的一第一层是形成于一基板802上。如图8B所示，在一运作710中，该导电材料804的一第一层是图案化(亦即，遮盖并移除不需要的材料)以形成该所需的位元线结构804A-804C。
现在参考图7及8C，在一运作715中，一第一绝缘材料806A-806D(例如氧化物)填满至形成介于该位元线结构804A-804C之间的空间。如图8D所示，在一运作720中，一第二绝缘材料810的一薄膜是形成在该位元线结构804A-804C的上端及该第一绝缘材料806A-806D之上。该第二绝缘材料810可以相同或不同于该第一绝缘材料806A-806D。
现在参考图7及8E，在一运作725中，一相转移材料薄膜812是形成于该第二绝缘材料810的上端。在一运作730中，导电材料814的一第二层是形成于该相转移材料薄膜812的上端。该导电材料814的第二层及该位元线结构804A-804C可以是相同或不同的导电材料。该导电材料804的第一层及该导电材料814的第二层可以以任何适当的方法形成(例如溅散或其他沉积方法)。
如图8F所示，在一运作735中，该导电材料814的第二层及该相转移材料薄膜812是图案化(亦即，遮盖并移除不需要的材料)以形成该所需的字线结构814A-814C。在另一实施例中，只有该导电材料814的第二层可能是图案化以形成该所需的字线结构814A-814C。
介于该位元线结构804A-804C之间的该第二绝缘材料810及该相转移材料薄膜812提供两种功能第一，该第二绝缘材料810防止在一“未处理”的结晶相转移阵列中一初始的泄漏电流。第二，如前图3所示，在一运作740中，该需求的小接触302可以藉由分解介于该位元线结构804A-804C及该字线结构814A-814C之间的绝缘体而形成。该绝缘体分解过程可以用以在每一个该字线结构及该位元线结构的重叠处形成一相转移元件。
该简单的自我校直结构提供相对容易的缩小过程。一整体非常小的记忆体胞。该第二绝缘材料810在用于非程式化胞的一次程式产品中提供额外的绝缘。该绝缘体分解过程提供一极小接触，如此减低电源消耗(亦即，储存及重设的电源需求)及晶片区域。
如使用于此与本发明叙述有关的名词“大约”表示+/-10％。藉由范例，该说法“大约250”表示介于225与275之间的一范围。将更能认知藉由前述任一图式中的该等运作是无须以图说的顺序表现，以及藉由该等运作表现的所有过程并非必需的以实施本发明。
虽然前述的发明为了清楚了解的目的已经部分详细的描述，在该附属请求项的范围中，某些变化及修改以实施将是显而易见的。因此，该等实施例是视为作为说明而非限制，又本发明不限于此处的详细说明，而在该附属请求项的范围中可以修改。
权利要求
1.一相转移元件，其特征在于其包含一第一接触电极结构；一相转移材料；介于该相转移材料与该第一接触电极结构之间的一第一绝缘材料；与该相转移材料接触的一第二接触电极；以及形成于介于该第一接触电极结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中的一接触结构，其中该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
2.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一绝缘材料形成于该第一接触电极结构的上端，而该相转移材料形成于该第一绝缘材料的上端，且该第二接触电极结构形成于该相转移材料的上端。
3.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的相转移材料形成于该第一接触电极结构的上端，而该第一绝缘材料形成于该相转移材料的上端，且该第二接触电极结构形成于该第一绝缘材料的上端。
4.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一接触电极结构或该第二接触电极结构的至少之一包含多层。
5.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一接触电极结构包含硅、碳、钨、铜、钛、或氮化钛的至少之一。
6.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第二接触电极结构包含硅、碳、钨、铜、钛、或氮化钛的至少之一。
7.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一绝缘材料包含一氧化物。
8.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一绝缘材料包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、四氮化三硅(Si3N4)、或氮氧化硅(SiON)的至少之一。
9.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其进一步包含在该第一接触电极结构与该第二接触电极结构的至少之一附近形成的一第二绝缘材料。
10.根据权利要求9所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第二绝缘材料包含一氧化物。
11.根据权利要求9所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第二绝缘材料包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、四氮化三硅(Si3N4)、或氮氧化硅(SiON)的至少之一。
12.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的相转移材料包含一硫属化合物材料。
13.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的相转移材料包含碲、硒、锑、镍、锗、银及其中的组合。
14.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的相转移材料有介于大约1nm至大约100nm之间之一厚度。
15.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一接触电极结构有大约10nm至大约1000nm的一厚度。
16.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第二接触电极结构有大约10nm至大约1000nm的一厚度。
17.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一绝缘层有大约1nm至大约30nm的一厚度。
18.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的接触有大约1nm至大约1000nm的一尺寸。
19.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一接触电极结构包含一插入结构。
20.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第二接触电极结构包含一插入结构。
21.根据权利要求1所述的相转移元件，其特征在于其中所述的第一接触电极结构包含一位元线结构以及其中该第二接触电极结构包含一字线结构。
22.根据权利要求21所述的相转移元件，其特征在于其进一步包含多个位元线结构及多个字线结构配置以形成包含多个重叠点的一阵列，其中该第一绝缘材料的一层及该相转移材料的一层在每个该等重叠点分开每个该等位元线结构及每个该等字线结构；以及每个该等重叠点包含多个接触结构的一对应接触结构。
23.一相转移记忆体胞，其特征在于其包含一位元线结构；形成在该位元线结构上端的一第一绝缘材料；形成在该第一绝缘材料上端的一相转移材料；形成在相转移材料上端的一字线结构；以及形成于介于该位元线结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中的一接触结构，其中该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
24.一种相转移元件的形成方法，其特征在于其包含以下步骤形成一三明治结构，其包含一第一接触电极结构；一相转移材料的一层；介于该第一接触电极结构与该相转移材料的该层之间一第一绝缘材料；以及与该相转移材料的该层接触的一第二接触电极结构；以及在该第一接触电极结构与该第二接触电极结构重叠处的一选择点经由该第一绝缘材料形成一接触结构，其中该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
25.根据权利要求24的相转移元件的形成方法，其特征在于其中所述的形成该第一接触电极结构包含形成一第一导电层在一基板上；移除该第一导电层的一部分以形成第一接触电极结构；以及以一第二绝缘材料填满该第一导电层的该移除部分。
26.根据权利要求24的相转移元件的形成方法，其特征在于其中所述的形成该第二接触电极结构包含在该相转移材料的该层上端形成一第二导电层；以及移除该第二导电层的一部分以形成该第二接触电极结构。
27.根据权利要求26的相转移元件的形成方法，其特征在于其中所述的移除该第二导电层的一部分以形成该第二接触电极结构包含移除该相转移材料的一部分。
28.根据权利要求24的相转移元件的形成方法，其特征在于其中所述的绝缘材料分解过程可以包含施加一固定电流，一固定电压，一步进电流，或一步进电压的至少的一至该第一接触电极结构及该第二接触电极结构。
29.一相转移元件，其特征在于其包含一第一接触电极结构；在该第一接触电极结构的上端形成的一相转移材料；在该相转移材料的上端形成的一第一绝缘材料；在该第一绝缘材料的上端形成的一第二接触电极结构；以及形成于介于该第二接触电极结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中的一接触结构，其中该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。
全文摘要
本发明是有关于一种相转移元件及其制造方法与相转移记忆胞。该相转移元件，包含一第一接触电极结构，一相转移材料及介于该相转移材料与该第一接触电极结构之间之一第一绝缘材料，以及与该相转移材料接触的一第二接触电极。也包含形成于介于该第一接触电极结构与该相转移材料之间的该第一绝缘材料中的一接触结构。该接触结构是藉由一绝缘材料分解过程形成。也描述一种形成一相转移元件的方法。
文档编号H01L29/02GK1761083SQ20051005683
公开日2006年4月19日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年10月15日
发明者李明修, 陈逸舟 申请人:旺宏电子股份有限公司