[發明專利]具有三維結構的半導體存儲裝置

無效

• 申請號: 201180017987.2
• 申請日: 2011-04-04
• 公開（公告）號: CN102834868A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 金鎮祺
• 申請（專利權）人: 莫塞德技術公司
• 主分類號: G11C11/34
• 分類號: G11C11/34;G11C13/00;G11C7/12;H01L21/8239
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

相關申請的交叉引用

本申請要求2010年4月5日提交的名稱為“3-DIMENSIONAL?PHASE?CHANGE?MEMORY”的第61/320973號美國臨時專利申請，該申請整體以引用的方式并入文本。

技術領域

本發明總體上涉及存儲裝置。更加具體地講，本發明涉及具有三維結構的半導體存儲裝置。

背景技術

非易失性存儲裝置的例子是相變存儲器（PCM）。PCM使用相變材料（例如硫族化物）來存儲數據。典型的硫族化物化合物是Ge₂-Sb₂-Te₅（GST）。通過控制加熱和冷卻過程，相變材料能夠在晶相和非晶相之間穩定轉變。與晶相相比，非晶相表現出相對較高的電阻，而晶相表現出相對較低的電阻。可以通過將GST化合物加熱到610°C的熔融溫度以上，然后迅速冷卻該化合物，來建立非晶態，其也稱為復位狀態或邏輯0狀態。通過將GST化合物長時間（足以將相變材料轉換為晶態的時間）加熱到結晶溫度以上，可以建立晶態，其也稱為設定狀態或邏輯1狀態。結晶溫度低于610°c的熔融溫度。加熱周期后面跟著隨后的冷卻周期。

圖1示出了典型的相變存儲單元。參照圖1，相變存儲器（PCM）單元110包括存儲元件112和開關元件114。開關元件114用于選擇性地訪問PCM單元110的存儲元件112。存儲元件112的典型實例是由相變材料（例如GST）形成的可變電阻器。通過在晶相和非晶相之間轉換結構（或特性），可以改變可變電阻器的電阻。

圖2示出了作為圖1中所示的PCM單元110的存儲元件112的示例存儲元件的結構。參照圖2，加熱器122位于第一電極124和硫族化物化合物126之間，該硫族化物化合物126由第二電極128接觸，第二電極128通常具有低電阻。第一電極124用于實現到加熱器122低阻抗接觸。加熱器122促使在被稱為可編程容積132的物理空間內的一部分硫族化物化合物126從晶態轉變為非晶態。

圖3示出了圖2中所示的用于相變存儲器的存儲元件的復位和設定編程的時間和溫度的關系。參照圖2和3，相變存儲器（PCM）單元可以被編程為兩種狀態（或相）：（i）非晶態或復位狀態；和（ii）晶態或設定狀態。可以通過由加熱器122對相變層（存儲元件的硫族化物化合物126）進行加熱來實現這種對狀態的編程。為了編程復位狀態，使電流I_Reset在持續時間tP_Reset內持續流經加熱器122來將相變層加熱到溫度T_Reset。為了編程設定狀態，使電流I_Set流經加熱器122來將相變層加熱到溫度T_Set，并且在持續時間tP_Set內使相變層維持在溫度T_Set上，然后再對相變層降溫。電流I_Set的時間段tP_Set大于電流I_Reset的tP_Reset。所施加電流I_Reset和I_Set的脈沖分別以附圖標記232和234指代。

圖4A和4B分別示出了處于編程后的設定狀態SET和編程后的復位狀態RESET的相變存儲器(PCM)。相變材料（或相變層）是以熱的方式激活的。參照圖2、3、4A和4B，通過在持續時間tP_Set內持續施加電流I_Set，PCM單元被編程為設定狀態。施加到相變層上的熱量與I²×R成正比，其中I是流經加熱器122的I_Set的電流值，并且R是加熱器122的電阻。在PCM單元被編程為圖4A中所示的設定狀態（SET）時，相變層被轉變為結晶狀態，其導致比圖4B中所示的復位狀態（RESET）更低的單元電阻。類似地，通過在持續時間tP_Reset內持續施加電流I_Reset,相變存儲單元被編程為復位狀態。在PCM單元被編程為復位狀態時，一定量的相變層被轉變為（圖4B的）非晶態，導致比（圖4A的）設定狀態更高的單元電阻。相變層中的可編程容積通常取決于施加給相變層的熱量。

相變存儲裝置一般情況下使用非晶態代表邏輯0狀態（或復位狀態），并且使用結晶狀態代表邏輯1狀態（或設定狀態）。表1總結了示例相變存儲器的典型特性。

表1：相變存儲器特性