[發明專利]相變儲存元件及其應用

有效

• 申請號: 201610912774.0
• 申請日: 2016-10-20
• 公開（公告）號: CN107274927B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 簡維志;鄭懷瑜;葉巧雯;金相汎;馬修·J·必實凱
• 申請（專利權）人: 旺宏電子股份有限公司;國際商業機器股份有限公司
• 主分類號: G11C13/00
• 分類號: G11C13/00;H01L45/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

一種相變儲存元件、包含此相變儲存元件的集成電路芯片及其制作方法。此相變儲存元件包括一個相變儲存區具有多重的相變區域(例如兩個)，具有不同相變材料，串聯于寫入/讀取線和選擇元件的導電端之間。

技術領域

本發明涉及一種固態儲存元件，特別涉及一種具有相變材料儲存單元的固態儲存單元。

背景技術

固態相變材料，例如硫族(chalcogen)元素(VI族元素，例如硫(sulfur， S)、硒(selenium，Se)和碲(tellurium，Te))與鍺(germanium，Ge)、砷(arsenic，As)、硅(silicon，Si)和銻(antimony，Sb)其中至少一的合金的硫族化合物(chalcogenides)，目前已為該技術領域所熟知。硫族化合物是以至少兩種可歸類的固態結晶形態(classifiable solidstates)存在。最極端的兩種結晶形態可以簡單地分類為結晶態(crystalline state)和非晶態(amorphous state)。其他不易被歸類的結晶形態則位于這兩種結晶形態之間。非晶態具有不規則的原子結構。結晶態一般為多晶相 (polycrystalline)。每一種結晶型態都有非常不同的電性。當在非晶態時，有一些硫族化合物的電阻率(resistivity)會高到可視為絕緣體，也就是會使電路斷開(open circuit)。當在結晶態時，同樣的材料具有較低的電阻率，可用來作為電阻(resistor)。這些材料的阻值在非晶態和結晶態之間的變化高達6個數量等級。

將硫族化合物加熱一段時間，可使其從第一種結晶型態(例如，非晶態)轉換至第二種結晶型態(例如，結晶態)。再加熱至另一個特定的溫度并維持一段給定時間，其結晶型態會從第二種結晶型態反轉回第一種結晶型態。因此相變材料可以選擇性地進行設定(set)與復位(reset)操作。如同其他具有兩個或更多可辨別和可選擇狀態的材料，這兩種穩定的結晶型態可以指定其中一個為邏輯的1另一個為邏輯0。故而硫族化合物可以用來制作儲存元件，特別是非揮發性的儲存元件，例如儲存單元儲存介質。

對于良好的儲存元件來說，儲存材料必須在相對高的結晶溫度且能迅速結晶，并在非晶態和結晶態之間表現出較高的電阻率差額。迅速結晶可提供快速的設定時間。結晶溫度越高則具有越高的數據保存(data retention) 能力。電阻率差額越高越容易分辨不同結晶型態之間的分別。因此理想上，這個材料需要在結晶態時為短路(short)或是開啟(on)狀態，在非晶態時為開路(open)或是關閉(off)狀態；而且一直到被人為地重新結晶為止，都必須停留在非晶態。特別是對具有數百萬甚至數十億的單一儲存單元的大容量儲存應用中，理想的硫族化合物寫入操作，需要相對較少的電流或幾乎無需電流，消耗相對較少的電能。想要減少寫入電能，需要在低熔點時具有最小熱傳導率；而想要減少寫入電流，則需要將焦耳熱電阻率最大化。然而，上述的優良特性通常跨越了不同相變材料領域中的不同范圍，該領域中并沒有單獨一種材料適合所有的應用，特別是大量儲存單元 (massstorage cells)的應用。

因此，有需要改善相變儲存材料的儲存特性。特別是使相變儲存材料具有小電阻的漂移、設定狀態和復位狀態之間明顯不同、具有較長的數據保存時間，特別適用于高密度儲存應用。

發明內容

本發明的特征是一種具有良好儲存特性的儲存元件；

本發明的另一個特征是一種具有復合儲存區域的相變儲存元件。其中，此復合儲存區域具有低電阻飄移系數(resistance drift coefficient)、較長數據保存時間，并具有較高復位/設定比(reset/set ratio)；

本發明的又一個特征是一種具有多個串聯儲存區域的復合儲存區域的相變儲存元件。其中，此多個串聯儲存區域結合了較低的電阻飄移系數、較長的數據保存時間、較高的復位/設定比等特性，且不需要感測讀取電路 (sensitive read circuits)或感測放大器(sense amplifiers)即可增進讀取效能。