[发明专利]双稳态电阻随机存取存储器的结构与方法

说明书

发明领域

本发明涉及基于以相转换为基础的存储材料(包括以硫属化物为基础的材料与其他材料)的高密度存储元件，以及用以制造这种元件的方法。

技术背景

以相转换为基础的存储材料被广泛地运用于读写光碟片中。这些材料包括有至少两种固态相，包括如大部分为非晶态的固态相，以及大体上为结晶态的固态相。激光脉冲用于读写光碟片中，以在二种相中切换，并读取此种材料在相转换之后的光学性质。

如硫属化物及类似材料的这种相转换存储材料，可通过施加其大小适用于集成电路中的电流，而致使晶相转换。一般而言非晶态的特征其电阻高于结晶态，此电阻值可轻易测量得到而用以作为指示。这种特性则引发使用可编程电阻材料以形成非挥发性存储器电路等关注，此电路可用于随机存取读写。

从非晶态转变至结晶态一般为低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为高电流步骤，其包括短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相转换材料会快速冷却，抑制相转换的过程，使得至少部份相转换结构得以维持在非晶态。理想状态下，致使相转换材料从结晶态转变至非晶态的重置电流幅度应越低越好。欲降低重置所需的重置电流幅度，可通过减低在存储器中的相转换材料元件的尺寸、以及减少电极与此相转换材料的接触面积而达成，因此可针对此相转换材料元件施加较小的绝对电流值而达成较高的电流密度。

此领域发展的一种方法为致力于在集成电路结构上形成微小孔洞，并使用微量可编程的电阻材料填充这些微小孔洞。致力于这种微小孔洞的专利包括：于1997年11月11日公开的美国专利第5,687,112号”Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact”、发明人为Ovshinky；于1998年8月4日公开的美国专利第5,789,277号”Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”、发明人为Zahorik等；于2000年11月21日公开的美国专利第6,150,253号”Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same”、发明人为Doan等。

公知的相转换存储器与结构会产生的特殊问题在于其所产生的散热效应。一般而言，先前技术教示如何使用金属电极于相转换存储元素的两侧，而电极的尺寸大约等于相转换构件。这些电极会作为散热装置，金属的高导热性会快速地将热量导离相转换材料。由于相转换现象为加热的结果，因此散热效应会导致需要更大的电流以产生理想的相转换现象。

此外，在以非常小的尺度制造这些装置、以及期望满足生产大尺寸存储装置时所需求的严格工艺变数时，则会遭遇到问题。较佳地提供一种存储单元(memory cell)结构其包括有小尺寸以及低重置电流，以及用以制造这种结构的方法其可满足生产大尺寸存储装置时的严格工艺变数规格。此外，较佳地提供一种工艺与结构其相容于制造同一集成电路的周边电路。

发明内容

本发明描述了用以形成双稳态电阻随机存取存储器的结构与方法，其通过在存储单元元件中介定加热区域，而减少了从电极所散失的热量。此加热区域界定于包括有可编程电阻存储材料的核心构件中，此可编程电阻存储材料接触至上可编程电阻存储构件与下可编程电阻存储构件。此下可编程电阻存储构件的侧边对准至包括有钨栓塞的底电极的侧边。此下可编程电阻构件与底电极作用为第一导体，使得从第一导体所散失的热量可减少。在核心构件中的可编程电阻存储材料接触至上可编程电阻存储材料。此上可编程电阻存储材料与顶电极作用为第二导体，使得从第二导体所散失的热量可减少。

在本发明第一目的中，披露一种存储元件包括有：顶电极结构其垂直地与底电极分离，该底电极包括栓塞；上可编程电阻存储构件其具有与该顶电极结构电接触的接触表面；下可编程电阻存储构件其具有与该底电极电接触的接触表面，该可编程下电阻构件的侧边与该栓塞的侧边对准；以及核心构件其包括可编程电阻存储材料，该可编程电阻存储材料设置于侧壁子(spacer)之内以界定加热区域、并设置于该上与下可编程电阻存储构件之间，该核心构件电接触至该上与下可编程电阻构件。