[發明專利]相變記憶體、電子系統、可逆性電阻存儲單元及提供方法

有效

• 申請號: 201110244362.1
• 申請日: 2011-08-22
• 公開（公告）號: CN102385917A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 莊建祥
• 申請（專利權）人: 莊建祥
• 主分類號: G11C16/02
• 分類號: G11C16/02;H01L27/10;H01L27/24
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;常大軍

技術領域

本發明涉及到可編程記憶體元件，如使用在記憶體陣列的可編程電阻元件。

背景技術

可編程電阻元件通常是指元件的電阻狀態可在編程后改變。電阻狀態可以由電阻值來決定。例如，電阻性元件可以是單次性可編程OTP(One-TimeProgrammable)元件(如電性熔絲)，而編程方法可以施用高電壓，來產生高電流通過OTP元件。當這大電流經由打開的編程選擇器流過OTP元件，OTP元件將被燒成高或低電阻狀態(取決于是熔絲或反熔絲(Anti-fuse))而加以編程。

電性熔絲是一種常見的OTP，而這種可編程電阻元件，可以是多晶硅、硅化多晶硅、硅化物、熱隔離的主動區、金屬、金屬合金或它們的組合。金屬可以是鋁、銅或其它過渡金屬。其中最常用的電性熔絲是硅化的多晶硅，用互補式金氧半導體晶體管(CMOS)的柵極制成，用來作為內連接(interconnect)。電性熔絲也可以是一個或多個接點(contact)或層間接點(via)，而不是小片段的內連接。高電流可把接點或層間接點燒成高電阻狀態。電性熔絲可以是反熔絲，其中高電壓使電阻降低，而不是提高電阻。反熔絲可由一個或多個接點或層間接點組成，并含有絕緣體于其間。反熔絲也可由CMOS柵極耦合于CMOS本體，其含有柵極氧化層當做為絕緣體。

傳統的可編程電阻式記憶存儲單元如圖1所示。存儲單元10包含電阻元件11和N型金氧半導體晶體管(NMOS)編程選擇器12。電阻元件11一端耦合到NMOS的漏極，另一端耦合到正電壓V+。NMOS?12的柵極耦合到選擇信號(SEL)，源極耦合到負電壓V-。當高電壓加在V+而低電壓加在V-時，電阻元件10則可被編程，經由提高編程選擇信號(SEL)來打開NMOS?12。一種最常見的電阻元件是硅化多晶硅，乃是在同時制作MOS柵極時用的同樣材料。編程選擇器NMOS?12的面積，需要足夠大，以提供所需的編程電流可持續幾微秒。硅化多晶硅的編程電流通常是從幾毫安(對寬度約40納米的熔絲)至20毫安(對寬度約0.6微米熔絲)。因此使用硅化多晶硅的電性熔絲存儲單元面積往往需有大的面積。

可編程電阻元件可以是可逆的電阻元件，可以重復編程且可逆編程成數字邏輯值“0”或“1”?？删幊屉娮柙蓮南嘧儾牧蟻碇圃欤珂N(Ge)、銻(Sb)碲(、Te)的組成Ge2Sb2Te5(GST-225)或包括成分銦(In)，錫(Sn)或硒(Se)的GeSbTe類材料。經由高電壓短脈沖或低電壓長脈沖，相變材料可被編程成非晶體態高電阻狀態或結晶態低電阻狀態?？赡骐娮柙梢允请娮枋诫S機存取記憶體(電阻式記憶體RRAM)，存儲單元由在金屬或金屬合金電極之間的金屬氧化物，如鉑/氧化鎳/鉑(Pt/NiO/Pt)，氮化鈦/氧化鈦/氧化鉿/氮化鈦(TiN/TiOx/HfO2/TiN)制成。該電阻狀態可逆性的改變是經由電壓或電流脈沖的極性、強度、及持續時間，以產生或消滅導電細絲。另一種類似電阻式隨機存取記憶體(RRAM)的可編程電阻元件，就是導電橋隨機存取記憶體(CBRAM)。此記憶體是基于電化學沉積和移除在金屬或金屬合金電極之間的固態電解質薄膜里的金屬離子。電極可以是一個可氧化陽極和惰性陰極，而且電解質可以是摻銀或銅的硫是玻璃如硒化鍺(GeSe)或硒化硫(GeS)等。該電阻狀態可逆性的改變是經由電壓或電流脈沖的極性、強度、及持續時間，以產生或消滅導電橋。

如圖2a所示，相變記憶體(PCM)是另一個傳統的可編程電阻元件20。PCM存儲單元包含相變材料(Phase?Change?Material)薄膜21和當作編程選擇器的雙極性晶體管22，其具有P+射極23，N型基極27和P型基體的集極25。相變薄膜21一端耦合到雙極性晶體管22的射極23，另一端耦合到正電壓V+。雙極性晶體管22的N型基極27耦合到負電壓V-。集極25耦合到接地。在V+和V-間施加適當的電壓且持續適當的時間，相變薄膜21可被編程成高或低電阻狀態，根據電壓和持續時間而定。按照慣例，編程一個相變記憶體成高電阻狀態(或重設狀態)大約需要3V持續50ns，消耗大約300uA的電流。編程相變記憶體成低電阻狀態(或設置狀態)需要2V持續300ns左右，消耗大約100uA的電流。這種存儲單元需要特殊工藝來妥善隔離每個存儲單元，因而需要比標準CMOS邏輯工藝多3-4道掩膜，而使得它的制作比較貴。