存储器器件
阅读：292发布：2022-05-23
专利汇可以提供存储器器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开的 实施例 涉及 存储器 器件。一种 相变 存储器单元在至少第一部分中包括至少一个锗层的堆叠，该至少一个锗层的堆叠被由锗、锑和碲的第一 合金 制成的至少一层 覆盖 。在编程状态下，由于将堆叠的一部分加热到足够的 温度 ，锗层的一部分和第一合金的层的一部分形成由锗、锑和碲制成的第二合金，其中第二合金具有比第一合金高的锗浓度。，下面是存储器器件专利的具体信息内容。
1.一种存储器器件，包括：
绝缘层，包括与第一相变存储器单元相关联的第一电阻加热元件、以及与第二相变存储器单元相关联的第二电阻加热元件；
层的堆叠，在所述第一电阻加热元件和所述第二电阻加热元件上方延伸，所述堆叠包括：
第一层，由锗、锑和碲的第一合金制成；
锗层，在由所述第一合金制成的所述第一层上方；以及
第二层，在所述锗层上方，由第一合金制成；以及
其中所述堆叠包括与所述第二电阻加热元件接触的区域，所述区域由锗、锑和碲的第二合金制成，其中所述第二合金具有比所述第一合金高的锗浓度。
2.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述锗层具有与所述第一层中的每个第一层的厚度不同的厚度。
3.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述锗层掺杂有氮。
4.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述第一合金由Ge2Sb2Te5制成。
5.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述第一层和所述第二层具有不同比例的锗、锑和碲。
6.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述第一电阻加热元件和第二电阻加热元件与所述堆叠的所述第一层接触。
7.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述第一相变存储器单元和所述第二相变存储器单元为由绝缘区域分离的相邻存储器单元。
8.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述存储器器件是一次性可编程存储器器件。
9.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述第一相变存储器单元以第一逻辑状态进行编程，并且所述第二相变存储器单元以第二逻辑状态进行编程。
10.根据权利要求1所述的存储器器件，其中所述堆叠的所述第一层和所述第二层中的每一层都具有大于约4nm的厚度。
11.一种方法，包括：
形成绝缘层，所述绝缘层包括与第一相变存储器单元相关联的第一电阻加热元件、以及与第二相变存储器单元相关联的第二电阻加热元件；
形成位于所述绝缘层上的层的堆叠，包括：
在所述电阻加热元件上方、在所述绝缘层上形成由锗、锑和碲制成的第一合金的第一层；
在由所述第一合金制成的所述第一层上方形成锗层；以及
在所述锗层上方形成所述第一合金的第二层；
通过所述第二电阻加热元件来向层的所述堆叠施加热量，该热量足以使所述锗层以及所述第一合金的所述第一层和第二层的部分形成由锗、锑和碲制成的第二合金，并且将所述第二相变存储器单元编程到与所述第一相变存储器单元的逻辑状态不同的逻辑状态，所述第二合金具有比所述第一合金高的锗浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中加热包括加热至高于160℃的温度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述锗层掺杂有氮。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一合金由Ge2Sb2Te5制成。
15.根据权利要求11所述的方法，其中施加热量包括：施加穿过所述第二电阻加热元件的电流脉冲。
存储器器件
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
背景技术
[0004] 相变材料是可以在热量的作用下在结晶相和非晶相之间切换的材料。由于非晶材料的电阻显著大于结晶材料的电阻，因此这种现象可用于定义有通过相变材料测得的电阻来区分的两种存储器状态(例如，0和1)。存储器中最常见的相变材料是由锗、锑和碲组成的合金。
[0005] 通常的相变存储器一般由锗、锑和碲的合金按化学计量比例制成，例如Ge2Sb2Te5。问题是这种合金对温度很敏感。具体地，它们的结晶温度太低而无法承受裸片焊接工艺的温度范围，特别是在汽车工业中。焊接温度将引起被编程数据的修改。
发明内容
发明内容
[0006] 一个实施例克服了已知相变存储器的全部或部分缺点。
[0007] 在一个实施例中，一种存储器器件包括：第一相变存储器单元；第二相变存储器单元；其中第一相变存储器单元包括由锗、锑和碲制成的第一合金；并且其中第二相变存储器单元包括由锗、锑和碲制成的第一合金和第二合金。附图说明
[0008] 上述特征和优点以及其他特征和优点将在以下通过说明而非限制地参考附图给出的对具体实施例的详细说明中进行详细描述，其中：
[0009] 图1示出了相变存储器单元的一部分的实施例的简化截面图；
[0010] 图2A-图2B示出了图1的实施例的制造和可能的编程的两个步骤的简化截面图；
[0011] 图3A-图3B分别示意性地示出了编程前和编程后的存储器器件的一个实施例的截面图；
[0012] 图4示意性示出了存储器器件的另一实施例的截面图；
[0013] 图5示意性示出了一次读取存储器的一个实施例。
具体实施方式
[0014] 在各个附图中，相同的特征已经用相同的参考标号来表示。特别地，在各个实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的参考标号，并且可以设置相同的结构、尺寸和材料特性。
[0015] 为清楚起见，仅详细说明和描述了有助于理解本文所述实施例的操作和元件。特别地，存储器单元包括没有详细描述的元件，例如选择元件，例如晶体管或电气连接。
[0017] 在以下描述中，当提及限定绝对位置的术语(诸如术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等)或相对位置的术语(诸如术语“上方”、“下方”、“高于”、“低于”等)或限定方向的术语(诸如术语“水平”、“竖直”等)时，除非另有说明，否则均指附图的方向。
[0018] 术语“近似”、“基本上”和“大约”在本文中用于指定所讨论的值的正负10％(优选正负5％)的容限。本文使用的术语“接近”指定正负35％的容限。
[0019] 图1示出了相变存储器单元100的实施例的一部分的简化截面图。
[0020] 存储器单元100包括电阻元件102，电阻元件102经由导电通孔104连接至选择元件(例如，晶体管，未示出)。例如，电阻元件102具有L形截面，其水平部分与导电通孔104接触。电阻元件102和导电通孔104被绝缘层106包围。层106的厚度使得电阻元件的竖直部分的上表面与绝缘层106的上表面共面。选择元件位于层106下方。
[0022] 堆叠108包括由锗或掺氮锗制成的层114以及由锗、锑和碲的第一合金制成的层116。堆叠108的层交替为层114和层116。
[0023] 在图1的实施例中，堆叠108包括两个锗层114以及第一合金的两层116。在该示例中，堆叠108的下层是层116中的一层且位于层106的一侧上。
[0024] 第一合金是稳定合金，即，各组分的比例接近化学计量。例如，第一合金为Ge2Sb2Te5、Ge4Sb4Te7或者由锗、锑和碲组成的其原子百分比接近Ge2Sb2Te5或Ge4Sb4Te7的合金。层116的第一合金优选处于结晶相。例如，层114由非掺杂锗或掺杂氮原子的锗制成。在层114为掺杂有氮原子的锗的情况下，氮含量优选低于原子数的35％。例如，层114的材料处于非晶相。
[0025] 例如，堆叠108的层的厚度大于约4nm，例如在4-30nm范围内。层114和层116的厚度可以不同。
[0026] 在一些实施例中，不同的层116由从前面针对第一合金给出的示例中选择的锗、锑和碲的不同合金制成。例如，堆叠108可以包括锗层114，层114位于由Ge2Sb2Te5制成的层116与由Ge4Sb4Te7制成的层116之间。然而，这些不同的合金在下面的描述中将被称为第一合金。
[0027] 更一般地，堆叠108包括至少一个锗层114和由第一合金制成的层116，层116覆盖层114。优选地，堆叠108包括位于由第一合金制成的两个层116之间的层114。堆叠108可以包括大于两层的任何数目的层。层数可以是偶数或奇数。此外，堆叠108的下层可以是锗层114或由第一合金制成的层116。
[0028] 图2A-图2B分别示出了两个步骤的简化截面图，图示了图1的实施例的制造和潜在编程。
[0029] 图2A所示的步骤a)包括为了获得图1的实施例而执行的制造步骤。
[0030] 步骤a)包括：-形成选择元件(未示出)；-形成绝缘层106；-形成导电通孔104；-形成电阻元件102；-在绝缘层106的上表面上和电阻元件102的竖直部分的上表面上形成堆叠108。更具体地，由第一合金制成的层116和锗层114交替形成于对应于存储器单元的整个表面上方。在图1的实施例中，与电阻元件102接触的第一层是由第一合金制成的层116；以及-形成导电层109，导电层109覆盖堆叠108的上层。
[0031] 作为一个变型，如参照图1所述，堆叠108的层可以是不同的数目并且具有不同的布局。然而，堆叠108包括至少一个锗层114和由第一合金制成的一个层116。
[0032] 在步骤a)之后的、如图2B所示的步骤b)可以被视为制造步骤或编程步骤。步骤b)包括称为“形成”的电气操作。在该操作期间，高电流脉冲(通常高于一般为编程存储器单元而施加的脉冲)在导电通孔104和导电层109之间流动，并且穿过电阻元件102和堆叠108。
[0033] 电阻元件102加热到例如高于600℃、优选高于900℃的、能够熔化层114和116的材料的一部分的温度。该操作由层114和116的熔化部分形成均匀富Ge合金的部分112。部分112是相变存储器的活动区。优选地，“形成”操作以在操作结束时部分112处于结晶相的这种方式来设计。
[0034] 第二部分112位于层106的上表面和电阻元件102的竖直部分的上表面上。因此，第二部分112与电阻元件102接触。第二部分112基本上具有在第二部分和电阻元件102之间的接触区域上居中的半圆形或圆形部分的形状的截面。
[0035] 部分112由锗、锑和碲组成的第二合金制成，第二合金的锗浓度大于第一合金的锗浓度。类似于第一合金，第二合金是相变材料，诸如先前已经描述的。例如，第二合金的组分的比例是非化学计量的。例如，第二合金中锗的比例在第一合金中锗的比例的1.5倍到3.5倍之间。
[0036] 与第一合金的量相比，第二合金中锗的量取决于被加热部分中锗的量，即取决于锗层114的数目和厚度。
[0037] 写入或编程到存储器单元中的数据通过第二部分112的至少一部分的非晶或结晶相确定。
[0038] 发明人已经确定，与第一合金相比，第二合金具有更高的非晶相的结晶温度。更具体地，第二合金包括的锗越多，结晶温度就越高。
[0039] 在其环境(通常在印刷电路板上)中的(集成电路芯片的器件的)的最高焊接温度约为150℃，并且在裸片焊接期间达到的最高温度约为260℃。因此，具有大于160℃的结晶温度和耐受大于200℃的温度达几分钟的能力的存储器单元不存在因焊接温度而改变其相的风险。因此，现在可以通过焊接来装配被编程的相变存储器器件，而不会丢失被编程的数据。
[0040] 另一种可能是在制造工艺期间直接沉积第二合金的层，而不是堆叠108。然而，由于第二合金不对应于Ge-Sb-Te三元相图的任何稳定相，因此在制造工艺的以下步骤期间，第二合金趋于偏析为单独的稳定相。确实，在制造工艺期间，第二合金将暴露于处于相对较高温度(例如，等于或高于380℃)的热处理。这些温度将引起第二合金的结晶和偏析。从而，尽管第二合金是沉积的非晶均匀层，但是在制造工艺结束时以及在“形成”操作之前，其将由独立稳定相的随机分布区域制成。例如，其将是Ge和Ge2Sb2Te5的区域，这些区域的平均尺寸将取决于在由第二合金制成的层的沉积之后的制造工艺的热预算。
[0041] 之后，如参照图2B所述，“形成”操作将创建类似于图2B所示部分112的活动区。然而，由于区域的位置和尺寸的随机分布，活动区中的第二合金的局部组分会因单元的不同而变化。活动区组分中的合金的这种单元间的可变性会对存储器阵列中的单元参数的分布产生可检测的影响。这种影响对于单元具有小临界尺寸来说更为重要。
[0042] 参照图1和图2A-图2B描述的实施例的优点是：它们不面对由第二合金制成的层的偏析，因为这些层的材料已经具有化学计量比例。从而，通过相同方法制造的具有相同厚度的相同层数并且在“形成”操作期间同时或分别暴露于相同电流脉冲的所有存储器单元大体上是相同的。由此，这种存储器单元具有大体相同的操作。当存储器单元的尺寸减小时，仍然如此。
[0043] 图3A-图3B分别示意性且部分地示出了在编程前和编程后的存储器器件300的实施例的截面图。
[0044] 在编程之前(结构如图3A所示)，存储器器件300仅包括与参照图1描述的存储器单元类似的单元301。
[0045] 在对存储器单元(图3B所示的结构)进行编程之后，存储器器件300包括与在参照图2B描述的编程方法之后获得的结构相对应的单元301和单元302。存储器器件300可以包括任意数目的存储器单元302和与存储器单元302的数目无关的任意数目的存储器单元301。在图3A-图3B的示例中，编程之后仅示出一个存储器单元302和一个存储器单元301。
[0046] 单元301和302分别对应于第一逻辑状态和第二逻辑状态。例如，单元301对应于状态“0”，而单元302对应于状态“1”。
[0047] 存储器单元的编程包括“形成”操作。期望存储第二逻辑状态的存储器单元301接收电流，该电流足够高以引起参照图2B描述的“形成”操作，并由此形成单元302。通常，使用存储器单元301的阵列，其中一些被加热以形成单元302。
[0048] 例如，“形成”操作的温度被选择为高于所使用的焊接温度，焊接将不会引起存储器中编程的值发生任何修改。
[0049] 图4示意性示出了存储器器件400的实施例的截面图。器件400包括与器件300相同的元件，区别在于：器件400包括将相邻单元的堆叠108彼此分离的绝缘区域402。区域402能够避免单元的状态干扰相邻单元的电阻测量。
[0050] 前面描述的存储器器件300和400是一次性可编程(OTP)存储器器件。具体地，在图3A-3B和图4的实施例的编程中包括的“形成”操作为仅一次性操作，其以不可逆的方式修改存储器单元100的结构，局部地破坏分层结构。该仅一次性操作用于在裸片组装之前在晶片层级处对整个相变存储器器件或其部分中的代码进行预编程；该代码将在焊接之后保留。
此外，单元302是相变存储器单元，并且它们的相可以在非晶态和结晶态之间切换，以编程逻辑状态。如果需要，单元301可以在裸片组装和焊接之后进行“形成”操作以变为单元302。
此外，单元302是相变存储器单元，并且它们的相可以在非晶态和结晶态之间切换，以编程逻辑状态。如果需要，单元301可以在裸片组装和焊接之后进行“形成”操作以变为单元302。
[0051] 可以使用所述实施例制造几种类型的存储器器件：a)只读存储器器件，其中编程通过制造工艺期间的“形成”操作进行；b)仅一次性存储器器件，其中编程(即，“形成”操作)在封装操作之后进行，例如由用户进行；c)相变存储器器件，其中用户可以通过改变活动区的相来对单元进行重新编程；d)存储器器件，其包括通过相同的制造工艺在相同芯片上形成的、通过电气操作而区分的上述器件的组合。例如，包括相变存储器的芯片还可以包括用于存储器阵列修复数据、用于存储器控制器的代码ROM、制造代码的只读存储器单元、引导存储器等。
[0052] 在相变存储器器件(c)的情况下，可以使用“形成”操作在存储器中预编程一些数据，如只读存储器器件和仅一次性存储器器件的情况。需要在晶片层级编程的数据通常是修复数据、制造代码、相变存储器的控制器的代码ROM、出于历史跟踪目的必须被存储在器件中的任何工程数据。这种预编程将允许存储在存储器器件中的数据经历焊接工艺。被用户用作可擦除可编程存储器的相变存储器器件(c)的单元将在制造工艺期间在晶片层级经历“形成”操作，以便成为可重新编程的相变存储器单元。总之，需要预编程为逻辑“0”的单元不会在晶片层级进行“形成”操作。
[0053] 在所描述的实施例中，第二合金的结晶温度不需要与不使用“形成”操作对数据进行预编程的情况那样高。从而，第二合金可以有利地包括与不使用“形成”操作对数据进行预编程的情况相比更少的锗。确实，已经发现，增加锗、锑和碲的合金中锗的比例会增加结晶温度，但同时也会增加“设置漂移”现象。
[0054] “设置漂移”现象是由高温引起的处于结晶相(设置状态)的合金的电阻的增加。在具有化学计量比例的锗、锑和碲的合金中，“设置漂移”现象可以忽略不计，但是在如第二合金的富含锗的合金中，这一现象具有显著影响。在相变存储器中，“设置漂移”现象是有害的，因为其减少了两个相的电阻之间的差异，并且可能会导致存储器的读取中的错误。非晶相(复位状态)也存在类似现象，但是非晶相电阻的增加并不有害，因为其扩大了单元的两种状态之间的电阻差。
[0055] 因此，在避免“设置漂移”现象的同时能够承受裸片焊接是有利的。
[0056] 图5示意性示出了存储器500的一个实施例。
[0057] 存储器500包括：一个或多个存储器器件，诸如先前描述的器件a)、b)、c)或d)，并且在图5中由框502(OTP)示出。框502还包括用于寻址存储器单元的阵列的电路；由框504(PU)表示的是数据处理单元，例如为微处理器；由框506(MEM)表示的是一个或多个存储器器件，可以是不同于框502的存储器器件。例如，框506的存储器器件可以不是相变存储器器件，而是RAM、可编程易失性存储器(EEPROM、闪存等)或者无法焊接的相变存储器器件。例如，框506的存储器器件在焊接步骤之后被添加至存储器500；框508(FCT)包括其他电子功能，例如，传感器、负载控制电路等；以及数据总线510能够在不同部件之间传输数据。
[0058] 作为变型，框506可以被省略。然后，存储器的存储器器件仅是诸如存储器器件300和400是存储器器件。这样，存储器完全是只读存储器。
[0059] 已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员容易想到，这些不同实施例和变型的特定特征可以组合，并且本领域技术人员也容易想到其他各种实施例。特别地，尽管参照图2描述的方法仅涉及存储器单元的形成，但是应当理解，上述方法适合于同时形成更多的存储器单元。
[0060] 最后，基于上面给出的功能指示，所述实施例和变型的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。
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