[发明专利]具有自收敛底电极的相变化存储单元阵列及其制造方法

说明书

技术领域

本发明有关于使用可编程电阻材料的高密度存储元件，而可编程电阻材料包括相变化材料如硫属化物等，及此等元件的制造方法。 

背景技术

包括采用相变化材料在内的可编程电阻材料，已经广泛运用于非易失随机存取存储单元中。相变化材料，诸如硫属化物材料等，可利用集成电路施加适当的电流以在结晶态与非晶态之间转换相态。大致为非晶态者较大致为结晶态者具有较高的电阻率，由此即可感知数据。 

相变化材料可在存储单元的主动区域中，于大致为结晶固态相的第一结构与大致为非晶固态相的第二结构之间进行转换。『非晶』是指相较于单晶而言，较无固定晶向的结构，例如较结晶相具有更高的电阻率等特性。『结晶』则指相对于非晶结构而言，较有固定晶向的结构，例如较非晶相具有更低的电阻率等特性。通常而言，可于完全非晶态与完全结晶态之间，利用电流变换相变化材料的相态。非晶态与结晶态转换所影响的其它材料性质，尚包括原子排列、自由电子密度、与活化能。此种材料可转换为两种相异的固态相，亦可转换为两种固态相的组合，故可于完整非晶相与完整结晶相之间，形成灰阶地带，材料的电性亦将随之转换。 

非晶态转换至结晶态的过程，通常采用较低的操作电压，其电流需足以将相变化材料的温度提升至相变化温度与熔点之间。由结晶态转换为非晶态的过程，则通常需要较高的操作电压；此后称此过程为『复位』(reset)。因为此一过程需要一短时间且高密度的电流脉冲，以熔化或破坏结晶结构，随后快速冷却相变化材料，经淬火处理，将至少一部分的相变化结构稳定为非晶态。此一过程，通过复位电流将相变化材料由结晶态转变为非晶态，而吾人希望尽量降低复位电流的强 度。欲降低复位电流的强度，可降低存储单元中主动区域的大小。降低主动区域大小的技术，包含降低电极与相变化材料的接点区域面积，因此可在主动区域中获得较高的电流密度，而以较小的电流绝对值通过相变化材料元件。 

在集成电路结构中制作小孔洞(pores)，为此项技术发展方向之一；同时，亦采用少量的可编程电阻材料填充该小孔洞。显示小孔洞发展的专利包含：Ovshinsky，“Multibit Single Cell Memory Element HavingTapered Contact”，U.S.Pat，No.5,687,112，专利发证日期1997年11月11日；Zahorik et al.，“Method of Making Chalcogenide[sic]MemoryDevice”，U.S.Pat.No.5,789,277，专利发证日期1998年8月4日；Doanet al.，“Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Gabracting the Same，”U.S，Pat.No.6,150,253，专利发证日期2000年11月21日，以及Reinberg，“Chalcogenide Memory Cellwith a Plurality of Chalcogenide Electrodes，”U.S.Pat.No.5,920,788，专利发证日期1999年7月6日。 

另一种发展中的存储单元结构，亦称为伞状结构，其是因为其典型结构中底部电极上的主动区域的形状而得名。该种结构系形成小电极区域，使之与较大区域的相变化材料连接，同时通常利用较大的电极与相变化材料的另一面连接。电流由小接点区域流向大接点区域者，可用做存储单元的读取、设定、与复位操作。小电极区域可将电流密度集中于接触点上，因此相变化材料中的主动区域可限制在接近于接触点的小区域中。举例而言，参见Ann et al.，“Highly reliable 50nmcontact cell technology for 256Mb PRAM”，VLSI Technology 2005 Digestof Technical Papers，第98至99页，2005年6月4日；Denison，国际公开号WO2004/055916A2“Phase Change Memory and MethodTherefore”，公开日期2004年7月1日；以及Song et al.，美国专利申请公开号US 2005/0263829 A1，“Semiconductor Devices Having PhaseChange Memory Cells，Electronic Systems Employing the Same andMethods of Fabricating the Same”，公开日期2005年12月1日。