具有隔熱區域的電阻式存儲器的製作方法

2023-08-01 22:56:36 2

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年10月10日提交的美國在先專利申請us14/511818的權益，該申請的整個內容通過引用包含在本文中。

記載在本文中的技術涉及存儲信息的存儲器，尤其涉及提高具有電阻式存儲器元件的存儲器單元的溫度的技術。按照一些實施例，在存儲器單元中可包括隔熱區域，以提高存儲器單元的溫度，這可允許降低為把信息寫入存儲器單元所需的電壓和/或電流。

背景技術：

存儲器常常在計算設備和系統中用於保存信息，比如程序和/或程序數據。開發了各種存儲器技術，包括各種易失性和非易失性存儲器。易失性存儲器可能需要電力來保持存儲器中的信息的存儲。易失性存儲器的常見例子是動態隨機存取存儲器(dram)。相比之下，非易失性存儲器被設計成在未向存儲器提供電力的時候，保持保存在存儲器中的信息。非易失性存儲器的常見例子是快閃記憶體(例如，nand快閃記憶體)。

技術實現要素：

一些實施例涉及包括存儲器單元的電阻式存儲器。所述存儲器單元包括具有隔熱區域的頂電極、底電極和在所述頂電極與所述底電極之間的電阻式存儲器元件。

一些實施例涉及包括存儲器單元的電阻式存儲器。所述存儲器單元包括第一電極、具有隔熱區域的第二電極和在所述第一電極與所述第二電極之間的reram存儲器元件。

一些實施例涉及包括存儲器單元的電阻式存儲器。所述存儲器單元包括第一電極、第二電極和在所述第一電極與所述第二電極之間的電阻式存儲器元件。所述存儲器單元還包括至少部分地填充第一電極中的空腔的電絕緣區域。所述存儲器單元包括隔熱區域。

一些實施例涉及包括存儲器單元的電阻式存儲器。所述存儲器單元包括第一電極、第二電極和在所述第一電極與所述第二電極之間的電阻式存儲器元件。所述存儲器單元還包括具有隔熱材料的介電區域。

一些實施例涉及包括存儲器單元的電阻式存儲器。所述存儲器單元包括具有隔熱區域的第一電極。所述隔熱區域包括第一電極的第一區域，所述第一區域具有比第一電極的第二區域的橫截面面積小的橫截面面積。電阻式存儲器還包括第二電極和在所述第一電極與第二電極之間的電阻式存儲器元件。

上面的發明內容是作為例示提供的，並不意圖是限制性的。

附圖說明

附圖中，在各個圖中例示的各個相同或近乎相同的組件用相同的附圖標記表示。為清楚起見，在各個圖中可能未標記每個組件。

圖1是圖解說明電阻式存儲器單元的寫入電壓與溫度的曲線圖。

圖2a表示包括底電極、頂電極、和在所述底電極與頂電極之間的電阻式存儲器元件的電阻式存儲器單元。

圖2b表示其中隔熱區域被包括在底電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖2c表示其中隔熱區域被包括在底電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖2d表示其中隔熱區域被包括在底電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖3a表示其中隔熱區域被包括在頂電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖3b表示其中隔熱區域被包括在頂電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖3c表示其中隔熱區域被包括在頂電極中的電阻式存儲器單元的例子。

圖4a表示其中在電阻式存儲器單元中包括隔熱介電材料的電阻式存儲器單元的例子。

圖4b表示其中在電阻式存儲器單元中包括隔熱介電材料的電阻式存儲器單元的例子。

圖4c表示其中在電阻式存儲器單元中包括隔熱介電材料的電阻式存儲器單元的例子。

圖4d表示其中在電阻式存儲器單元中包括隔熱介電材料的電阻式存儲器單元的例子。

圖5a表示其中電極具有至少部分地填充以電絕緣填充材料的凹部的電阻式存儲器單元的例子。

圖5b表示其中電極具有至少部分地填充以電絕緣填充材料的凹部的電阻式存儲器單元的例子。

圖5c表示其中電極具有至少部分地填充以電絕緣填充材料的凹部的電阻式存儲器單元的例子。

圖6a表示具有至少一個包括隔熱區域的電極的電阻式存儲器單元的例子，在所述隔熱區域中，導電材料具有橫截面面積減小的區域。

圖6b表示具有至少一個包括隔熱區域的電極的電阻式存儲器單元的例子，在所述隔熱區域中，導電材料具有橫截面面積減小的區域。

圖7表示其中頂電極包括隔熱材料並且底電極具有橫截面面積減小的區域的電阻式存儲器單元的例子。

圖8按照一些實施例表示了存儲器的示圖。

圖9按照一些實施例表示了存儲器單元的電氣圖。

具體實施方式

已開發了通過改變存儲器單元內的電阻式元件的電阻保存信息的各種非易失性存儲器。利用這種技術的存儲器在這裡將被稱為「電阻式存儲器」。電阻式存儲器的例子包括電阻式隨機存取存儲器(reram)和相變存儲器(pcm)。

reram是一種能夠產生高速存儲器器件的非易失性電阻式存儲器技術。reram存儲器單元具有擁有可變電阻的存儲器元件，所述可變電阻可具有滯後特性，即，當施加電能時，它可改變電阻。通過改變可變電阻存儲器元件的電阻，信息可被寫入reram存儲器單元中。已開發了以從鈣鈦礦到過渡金屬氧化物再到硫屬化合物的各種介電材料為基礎的各種形式的可變電阻存儲器元件。甚至二氧化矽已被證明表現出電阻切換能力。pcm是一種其中通過引起電阻式存儲器元件的相變材料的相的變化來改變存儲器元件的電阻的非易失性電阻式存儲器技術。通過變更相變材料的晶體結構，例如，從結晶變更到非晶，或者從非晶變更到結晶，可改變相變材料的相。通過向pcm存儲器單元提供電流，以引起相變，可以保存信息。相比之下，reram不依賴於在電阻式存儲器元件的材料中引起相變。一些類型的reram存儲器單元可包括離子電阻材料。向離子電阻材料施加電流可導致材料中的離子的遷移，這會改變其電阻。

為了與一直在不斷增大其能夠在晶片上保存的信息的容量的其他存儲器技術(比如nand快閃記憶體)競爭，尋求增大電阻式存儲器的信息存儲容量。為了形成具有更高的信息存儲密度的電阻式存儲器，可能需要減小存儲器單元的尺寸，並且其他支持元件(包括布線、選擇電晶體和這些元件之間的間隔電介質)的尺寸也可能需要被減小。

關於電阻式存儲器(比如reram和pcm)的技術問題之一是為在各狀態之間切換電阻式存儲器元件所需的高功率。寫入操作可能需要向存儲器單元施加高功率，這可能需要施加較高的電壓和/或電流。施加高電壓可能在介電材料中引起可靠性問題，而施加高電流可能在電晶體和布線中引起可靠性問題。這些可靠性問題可能把電阻式存儲器的產品壽命降低到低於商業上可接受的水平。設計電阻式存儲器單元以致寫入電壓、電流和/或功率能夠被降低，可允許電阻式存儲器的產品可靠性的提高，從而帶來產品壽命的增加。

已意識到把信息寫入電阻式存儲器元件中所需的電壓、電流和/或功率隨著溫度升高而減小，因為在較高溫度下，電阻材料的性質的變化可被加速。圖1是圖解說明reram存儲器元件中的寫入電壓與溫度的曲線圖。如圖1中所示，如果電阻式存儲器元件的溫度被升高，那麼寫入電壓可被降低。

在本申請的一些實施例中，在電阻式存儲器單元中包含隔熱區域，以提高電阻式存儲器元件的溫度。隔熱區域可被整形和/或置於電阻式存儲器單元內，以防止熱傳導到電阻式存儲器單元之外，從而把焦耳熱約束在電阻式存儲器單元內，並提高其溫度。通過提高電阻式存儲器單元的溫度，能夠降低把數據寫入電阻式存儲器單元所需的電壓、電流和/或功率。

在一些實施例中，存儲器單元的導電電極可包括隔熱區域，如圖2b-2d和3a-3c中圖解所示。在討論圖2b-2d和3a-3c之前，將參考圖2a說明電阻式存儲器單元的例子。

圖2a按照一些實施例，表示電阻式存儲器單元。如圖2a中所示，電阻式存儲器單元包括底電極be、頂電極te、和在底電極be與頂電極te之間的電阻式存儲器元件re。電阻式存儲器元件re可由當施加足夠的電流、電壓和/或功率時改變電阻從而把信息保存在電阻式存儲器元件中的任何適當種類的材料構成。例如，電阻式存儲器元件re可以是reram存儲器元件或者pcm存儲器元件。應意識到在每個電阻式存儲器單元中可包含諸如存取電晶體之類的適當電子器件。為了例示的簡單起見，在圖2-7的橫截面視圖中未圖示這樣的電子器件。

如圖2a中所示，可在能夠在結構上支撐存儲器的基板s上形成底電極be。基板s可由任何適當的材料形成。在一些實施例中，基板s可包括半導體基板，半導體基板可包括在其上並在底電極be之下形成的任何適當層。關於形成基板s的材料，記載在本文中的技術不受限制。應意識到按照記載在本文中的技術的電阻式存儲器可由任意數目的存儲器單元形成，並且可包括數千個、數百萬個或者數十億個或更多個存儲器單元的陣列，以及用於讀取信息和/或把信息寫入存儲器單元的支持電子器件。

如上所述，在一些實施例中，存儲器單元的導電電極可包括隔熱區域。在一些實施例中，隔熱區域可被包括在底電極be中、頂電極te中或者存儲器單元的底電極be和頂電極te兩者之中。

圖2b表示其中隔熱區域被包括在底電極be中的電阻式存儲器單元的例子。在一些實施例中，底電極be可具有由不同材料形成的兩層或更多層，例如be1和be2。第一底電極層be1可由可以隔熱或者可以不隔熱的導電材料形成，第二底電極層be2可由導電並且隔熱的材料形成。在圖2b的例子中，隔熱材料的第二底電極層be2被置於第一底電極層be1之下。然而，記載在本文中的技術在這方面不受限制，因為在一些實施例中，隔熱材料的第二電極層be2可被置於第一底電極層be1之上，如圖2c中所示。圖2d表示具有擁有3層be1、be2和be1的底電極的電阻式存儲器單元的例子，其中隔熱材料的第二電極層be2在兩個底電極層be1之間。

隔熱材料的區域可包含在底電極的一部分中，如圖2b、2c和2d中所示，或者可以形成整個底電極。如果隔熱材料的區域被包含在底電極的一部分中，那麼它可被包含在底電極的任意部分中。

圖3a表示其中隔熱區域被包含在頂電極te中的電阻式存儲器單元的例子。在一些實施例中，頂電極te可具有由不同材料形成的兩層或更多層，例如te1和te2。第一頂電極層te1可由可以隔熱或者可以不隔熱的導電材料形成，第二頂電極層te2可由導電並且隔熱的材料形成。在圖3a的例子中，隔熱材料的第二頂電極層te2被置於第一頂電極層te1之下。然而，記載在本文中的技術在這方面不受限制，因為在一些實施例中，第二頂電極層te2可被置於第一頂電極層te1之上，如圖3b中所示。圖3c表示具有3層te1、te2和te1的頂電極的例子，其中隔熱材料的頂電極層te2被置於兩個頂層te1之間。

隔熱材料的區域可被包含在頂電極的一部分中，如圖3a、3b和3c中所示，或者可以形成整個頂電極。如果隔熱材料的區域被包含在頂電極的一部分中，那麼它可被包含在頂電極的任意部分中。

在一些實施例中，隔熱材料的區域可被包含在頂電極te和底電極be兩者中，或者可形成整個頂電極te和底電極be。如果隔熱材料的區域被包含在頂電極te和底電極be兩者中，那麼可以使用圖2b-d中所示的底電極結構和圖3a-3c中所示的頂電極結構的任意組合，或者頂電極結構和底電極結構的任意其他組合，比如圖4-6中所示的那些。

各種適當的隔熱材料任意之一可被包含在電極(例如，te和/或be)中。在一些實施例中，隔熱電極層(例如，be2和/或te2)例如可包括隔熱導電材料，比如氮化鈦tin材料、氮化鉭tan材料和/或多孔金屬。這樣的材料具有足夠低的熱導率，以致它們被認為是熱絕緣體。在一些實施例中，導電電極層(例如，be1和/或te1)例如可包括諸如鋁、銅和/或鈦之類的導電材料。然而，在一些實施例中，導電電極層be1和/或te1例如可包括隔熱導電材料，比如氮化鈦tin材料、氮化鉭tan材料和/或多孔金屬。

在一些實施例中，存儲器單元可包括電絕緣介電材料，所述電絕緣介電材料是隔熱的，並且可被建構成把熱約束在電阻式存儲器單元內。除了把導電隔熱材料包含在一個或多個電極中，或者作為把導電隔熱材料包含在一個或多個電極中的替代方案，可以包括這樣的電絕緣隔熱材料。

圖4a、4b和4c表示其中在電阻式存儲器單元中包含隔熱介電材料d的電阻式存儲器單元的例子。在圖4a、4b和4c的例子中，隔熱介電材料d被置於電阻式存儲器元件re的側面。在一些實施例中，隔熱介電材料d可部分或完全圍繞電阻式存儲器元件re。例如，在一些實施例中，隔熱介電材料d可形成圍繞電阻式存儲器元件re的環，如在圖4d的平面圖中所示(圖4d是與圖4a、4b和4c中所示的電阻式存儲器單元的橫截面對應的平面圖)。視情況，隔熱介電材料d可接觸電阻式存儲器元件re。隔熱介電材料d可在圖4a、4b和4c的垂直方向上延伸任何適當的高度。例如，隔熱介電材料d可從底電極be的底部延伸到頂電極te的頂部，如圖4a中所示。再例如，隔熱介電材料d可從底電極be的中間部分延伸到頂電極te的中間部分，如圖4b中所示。在一些實施例中，隔熱介電材料d可從底電極be的頂部延伸到頂電極te的底部，如圖4c中所示。在一些實施例中，隔熱介電材料d可在垂直方向上沿著電阻式存儲器元件re的整個高度延伸，或者可以只延伸電阻式存儲器元件re的高度的一部分。隔熱介電材料d可由任何適當的隔熱電絕緣材料形成。在一些實施例中，隔熱介電材料d可包括多孔二氧化矽材料、碳材料(例如，碳黑)、sico材料和/或聚合物材料(例如，聚四氟乙烯)，比如多孔聚合物材料。

在一些實施例中，電阻式存儲器單元可包括具有填充以電絕緣材料的凹部的電極，如圖5a和5b中所示。

圖5a表示其中底電極be具有形成於其中的凹部的電阻式存儲器單元的一個實施例。在一些實施例中，所述凹部可至少部分地填充以電絕緣填充材料f，作為介電區域。所述凹部可具有任何適當的形狀。在一些實施例中，所述凹部可具有圓形橫截面，以及底電極be可形成圍繞所述凹部的環。底電極be可以至少部分地被電絕緣的介電材料i環繞。視情況，頂電極te和/或底電極be可包括導電隔熱材料，如上所述。

為了形成圖5a的電阻式存儲器單元，可在底電極be中形成凹部，隨後可利用填充材料f填充所述凹部。隨後可使該結構的頂部表面平坦化(例如，利用化學-機械拋光)，以致底電極be的最上面部分與填充材料f的頂部共面。隨後可形成電阻式存儲器元件re和頂電極te。然而，關於形成電阻式存儲器單元的任何特定技術，記載在本文中的技術不受限制。

在一些實施例中，填充材料f可包括諸如氮化矽(sin)材料之類的電絕緣材料。在一些實施例中，填充材料f可以既電絕緣又隔熱。既電絕緣又隔熱的填充材料f的例子包括多孔二氧化矽材料、碳材料(例如，碳黑)、sico材料和/或聚合物材料(例如，聚四氟乙烯)，比如多孔聚合物材料。絕緣材料i可由任何適當的電絕緣材料(比如氮化矽、氧化矽或者任何其它適當的絕緣材料)形成。視情況，絕緣材料i可以是隔熱介電材料。

圖5b表示其中底電極be具有形成於其中的凹部並且底電極be包括兩層的電阻式存儲器單元的一個實施例。在圖5b的例子中，底電極be包括在一層tan材料之上形成的一層tin材料。在一些實施例中，所述一層tan材料可包括tacon(碳氮氧化鉭)。

利用藉助原子層沉積(ald)沉積的厚度35埃的tan層、藉助原子層沉積(ald)沉積的厚度50埃的tin層以及作為填充材料f的sin，製備了如圖5b中圖解所示的存儲器元件。測試了這種器件，表明與以tan作為填充材料f的類似結構相比，所述器件顯著降低烘烤後比特失效(post-bakebitfail)的百分率(～2-3倍)，這展示當利用諸如sin之類的介電材料作為填充材料f時的減小的比特差錯率和改善的可靠性。

在一些實施例中，電極可包括其中導電材料具有橫截面面積減小的區域的隔熱區域。所述橫截面面積減小的區域可阻礙熱經電極傳導到存儲器單元之外。這種橫截面面積減小的區域可由任何適當的材料形成，包括具有高熱導率的材料。然而，記載在本文中的技術在這方面不受限制，因為在一些實施例中，橫截面面積減小的區域可由隔熱材料形成。

圖6a-6c表示具有至少一個包括隔熱區域的電極的電阻式存儲器單元的例子，在所述隔熱區域中，導電材料具有橫截面面積減小的區域。

圖6a表示電阻式存儲器單元的例子，其中頂電極te具有相對於頂電極te的上部部分(沿著上面的虛線)橫截面面積減小的「縮緊」區域p(沿著下面的虛線)。如圖6a中所示，橫截面面積垂直於電流流經電極的方向，因為電流流動在圖6a的垂直方向上。縮緊區域p降低頂電極te把熱從電阻式存儲器單元的內部傳導到電阻式存儲器單元的外部的能力。在一些實施例中，橫截面面積減小的區域(例如，縮緊區域p)可具有與電極的另一個區域的橫截面面積相比為1/5或更小或者1/10或更小的橫截面面積。圖6表示其中底電極be具有縮緊區域p的例子。圖6c表示其中頂電極te和底電極be兩者都具有縮緊區域p的例子。在一些實施例中，與在電極的具有較大橫截面的區域之間的縮緊區域p相鄰的區域可被填充以介電材料，比如隔熱介電材料。

在一些實施例中，電阻式存儲器單元可包括多個隔熱區域。圖7表示電阻式存儲器的例子，其中如圖3c中一樣，頂電極te包括隔熱材料te2，且如圖6b中一樣，各個電阻式存儲器單元中的底電極be具有橫截面面積減小的縮緊區域p。在圖7的例子中，多個存儲器單元共用包括電阻元件re的公共層，還共用公共頂電極te。圖7還表示可包括隔熱介電材料d，隔熱介電材料d分離各個存儲器單元。

包括電阻式存儲器單元的存儲器可具有任何適當的結構和支持電子器件，下面將參考圖8和9說明其例子。

圖8按照一些實施例表示存儲器1的示圖。存儲器1包括排列成多行和多列的電阻式存儲器單元mc的陣列。每個存儲器單元mc連接到字線wl和位線bl。字線控制電路2和位線控制電路3通過選擇對應的字線和位線，對陣列的選定存儲器單元尋址。通過向字線wl和位線bl施加適當電壓，字線wl和位線bl控制把數據寫入存儲器單元mc。通過向字線wl施加適當電壓，並通過位線bl讀出數據，字線wl和位線bl還控制從存儲器單元mc讀取數據。存儲器單元mc可以是利用各種技術(其例子例如包括電阻式隨機存取存儲器(reram)和相變存儲器(pcm))任意之一的任何適當的電阻式存儲器單元。

圖9按照一些實施例表示例證的存儲器單元mc的電氣圖。如圖9中所示，存儲器單元mc具有電晶體t和電阻元件r。在圖9的例子中，電晶體t是控制對存儲器單元mc的存取的存取電晶體。例如可以使用任何適當種類的電晶體，比如場效應電晶體(fet)或雙極電晶體。電晶體t具有連接到位線bl的第一端子、連接到電阻元件r的第一端子的第二端子和連接到字線wl的控制端子。電阻元件r的第二端子連接到公共電壓節點vcommon。在這個例子中，存儲器單元mc是連接到位線bl、字線wl和公共電壓節點vcommon的三端子器件。

通過經存儲器單元mc的電阻元件r施加電流，信息可被寫入電阻式存儲器單元中。當在位線bl和公共電壓節點vcommon之間跨存儲器單元地施加電壓時，通過控制利用字線wl施加於電晶體t的控制端子的電壓，可以控制經過電阻元件r的電流。

記載在本文中的技術不限於圖8和9中所示的存儲器和支持電子器件的特殊結構。任何適當的電子器件可用於把信息寫入電阻式存儲器元件和從電阻式存儲器元件讀取信息，其設計為本領域的普通技術人員所知。

記載在本文中的技術和設備在其應用方面不局限於記載在上面的說明中或者在附圖中例示的結構和組件的布置的詳情。記載在本文中的技術和設備可以有其他實施例，並且能夠按照各種方式實踐或實現。另外，這裡使用的措詞和術語只是用於說明，不應被視為是限制性的。「包括」、「包含」或「具有」、「含有」、「涉及」及它們在本文中的各種變化的使用意圖包括其後列出的各個項目及其等同物，以及另外的項目。

在權利要求書中，短語「……至少之一」意味在所述短語所涉及的各個元件中的一個或多個。例如，短語「a、b和c至少之一」意味a、b或c，或者a、b和c的任意組合。

上面說明了本發明的至少一個例證實施例，對本領域的技術人員來說，易於想到各種變更、修改和改進。這樣的變更、修改和改進在本發明的精神和範圍內。因而，上面的說明只是作為例子，而不是限制性的。本發明只如以下權利要求及其等同物限定的那樣被限制。