[发明专利]具有自我形成间隙的可程序化电阻存储单元

说明书

技术领域

本发明涉及以相变化为基础的存储材料的可程序化电阻材料及其制造方法，此相变化材料包括以硫化物为基础的材料及其它材料。

背景技术

以相变化为基础的存储材料被广泛地运用于读写光盘片中。这些材料包括有至少两种固态相，即一大部分为非晶态的固态相，以及一大体上为结晶态的固态相。激光脉冲用于读写光盘片中，以在二种固态相中切换，并读取此种材料在相转换之后的光学性质。

如硫化物及类似材料的这类相变化存储材料，可通过施加其幅度适用于集成电路中的电流，而致使晶相转换。一般而言，非晶态的特征是其电阻率高于结晶态，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程序化电阻材料以形成非易失性内存电路等兴趣，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一低电流步骤。从结晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为一高电流步骤，其包括一短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相变化材料会快速冷却，抑制相转换的过程，使得至少部份相变化结构得以维持在非晶态。理想状态下，致使相变化材料从结晶态转变至非晶态的重置电流幅度应越低越好。为降低重置所需的重置电流幅度，可通过减低在内存中的相变化材料元件的尺寸、以及减少电极与此相变化材料的接触面积而实现，因此可针对此相变化材料元件施加较小的绝对电流值而实现较高的电流密度。「设置」及「重置」等名词是根据存储单元的情况而选定，在此仅为便于讨论而使用。

在以非常小的尺度制造这些装置、以及为满足生产大型存储装置时所需求的严格制作工艺变量时，则会遭遇到一些问题。与相变化单元小尺度相关的问题之一，由围绕在主动区域的材料的导热性所引起。为了导致相转换，相变化材料中主动区域的温度必须达到相转换的临界值。然而，由流经材料的电流所产生的热能会被所围绕结构传导离开。相变化材料中主动区域的热能被传导开，会减缓电流的加热效应，并势垒相变化的进行。现有技术利用形成热隔离阻挡，将形成的热隔离阻挡围绕在相变化材料周围来解决此问题。形成密封的空隙围绕存储材料是其中一种方法，其公开于美国专利第6,815,704号，标题为”PHASE CHANGE MEMORY DEVICEEMPLOYING THERMALLY INSULATING VOIDS”，由Chen发明。

在相变化材料的周围形成绝热空隙能够提供良好的绝热效果。然而，形成这种空隙的现有制作工艺很困难且不稳定，也无法将空隙正确地置放于相变化存储构件的主动区域中。

因此，目前急需的是，能够得以实施且正确的将空隙置放于主动区域旁的一种制造具有绝热空隙的相变化存储单元的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种适用于大规模集成电路的相变化随机存取存储器PCRAM装置。在此所述的技术包括具有第一电极、第二电极与定义第一电极与第二电极间的电极间电流路径的存储材料。存储材料具有至少两种可转换的固态相，例如硫化物为基础的材料、或其它相关材料，而其转换是通过对该材料施加电流、或在第一及第二电极间施加电压而实现的。

间隙是形成于存储材料的主动区域与主动区域存储材料附近伸缩性的材料之间。此间隙将存储材料的主动区域与其邻近的伸缩性材料隔热分离。在特定实施例中，伸缩性材料包括多孔介电材料，而间隙的形成是利用将存储材料加热，使得多孔介电材料朝存储材料的反方向收缩，以形成自行与存储材料的加热、主动区域排列的间隙。具有隔热空隙的存储单元的实施例包括「柱状」、「桥状」、及「伞状」存储单元。

在此所述的实施例中，提供一存储单元阵列。此阵列包括多个存储单元、至少有些存储单元在存储材料的主动区域及邻近的介电材料之间具有隔热间隙。在特定实施例中，阵列工作期间所使用的电脉冲(好比重置脉冲)会在存储材料的主动区域产生足够的热能，导致伸缩性介电材料朝存储材料的反方向缩小。

实施例的存储单元可利用现有逻辑电路及存储阵列电路实施，好比CMOS技术。

进一步地，在此所述的一阵列实施例中，电极层与带有热绝缘覆盖层的桥接器阵列上的电路包括多个位线。在此所述的电极层上带有位线的实施例中，电极层中作为存储单元的第一电极的电极构件被共享，使得单一电极构件提供阵列一行中两个存储单元的第一电极。进一步地，在此所述的实施例中，多个位线中的位线，沿着阵列中对应的行而排列，且对应行中的两个邻近存储单元共享一接触结构，以接触该第一电极。