[发明专利]超薄与多层结构相变化内存组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种内存组件，特别涉及一种非挥发性的相变化内存组件的结构以及材料。

背景技术

随着科技发展，人类对于内存的要求越来越高，除了可靠度要高之外，储存速度快、可循环使用次数多、容量大也已是基本要求。针对于此，下个世代出现许多准备接班的非挥发性内存，例如磁阻内存、氧化物电阻内存、铁电内存、相变化内存等。其中相变化内存(phase-change memory,PCM)利用一种材料，可于「非晶态」与「结晶态」间快速且可逆地产生相变，再利用其非晶态的高电阻与结晶态间的低电阻，提供高度的辨识率，可用于二位到多位的非挥发性储存。

相较于其他发展中的非挥发内存技术，相变化内存在操作速度、数据储存密度、组件可靠度、制程配合度以及成本上，具有较佳的竞争力，故相变化内存适合用来作为较高密度的独立式或嵌入式的内存应用。因此相变化内存被认为非常有可能取代目前商业化主流的嵌入式动态随机存取内存(DRAM)的挥发性内存，和独立式闪存(FLASH)的非挥发性内存，并可望成为新世代非挥发性半导体内存主流。尤其是当半导体制程进展到32奈米以下微影制程，内存组件储存单元的线宽越来越小时，相变化内存所需的操作电流亦随之降低，这对于相变化内存技术发展而言是一大优势。

传统的相变化记忆材料以硫属化合物为主，特别是属于碲基的三元系统：锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)最被广泛研究。其中以Ge₂Sb₂Te₅成份因具有优异的材料特性，而被广泛并实际应用于相变化光盘与固态内存组件的商品中。Ge₂Sb₂Te₅于非晶态与结晶态间可作快速的相转换、非晶态与结晶态电阻差异可达五至六个数量级、非晶态的结晶温度约160～180℃、熔点约635℃。

但Ge₂Sb₂Te₅仍有许多值得改善之处，其结晶温度较低，导致热稳定性较差，使得数据储存十年的温度仅在86～93℃之间，达不到至少100℃的最低规格要求，且熔点较高，在制程上需要消耗较多的能量使其熔化。此外，Ge₂Sb₂Te₅是以硫属化合物为主体，其中碲(Te)具有高挥发性和毒性，有污染现行半导体制程设备与环境的疑虑。且碲在内存组件中，存在着与不同材料层之间的热扩散问题，即内存组件经由反复读写操作后，碲容易扩散至上下迭层或电极层，而偏离原本的成份比或形成空孔，这些原因都会造成组件的寿命与可靠度下降。且Ge₂Sb₂Te₅在非晶与结晶间的体积变化率过大，达9.5%，长久操作循环后，薄膜的本质会被破坏，甚至造成薄膜破裂或者凝成岛状，同样会造成可靠度问题。

因此技术领先的内存大厂与诸多研究机构皆设法针对Ge₂Sb₂Te₅进行改良。例如添加第四元甚至第五元的元素，如氮(N)、氧(O)、硅(Si)…等，或加入额外的化合物，如二氧化硅(SiO₂)…等。然而，添加元素势必使材料系统变为四元或五元以上的复杂系统，这会大幅增加准确调控材料成份配比的困难度，连带降低相变化内存组件的可靠度。