專(zhuān)利名稱(chēng)：可編程相變材料結(jié)構(gòu)及其形成方法
可編程相變材料結(jié)構(gòu)及其形成方法技術(shù)領(lǐng)域
、賴(lài)、鉺、鐿 等)的沉積，繼之以高溫退火在多晶硅上形成。與硅接觸的金屬層的 部分在退火期間與硅反應(yīng)從而形成導(dǎo)電硅化物金屬層。因?yàn)檫@是相對(duì) 于硅的自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，所以它在本領(lǐng)域中也稱(chēng)作"自對(duì)準(zhǔn)硅化(salicide )，， 過(guò)程。[0029在硅化物金屬形成之后， 一層PCM214在相對(duì)于導(dǎo)線結(jié) 構(gòu)208的方向通常垂直的方向上在加熱器元件上形成，如圖2(b)中最 佳看到的。PCM214的擴(kuò)展部分215沿著與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208相鄰的絕緣 層204擴(kuò)展，以便提供eFUSE器件的功能部分的接觸點(diǎn)(也就是可 以感測(cè)熔絲編程狀態(tài)的點(diǎn))。特別地， 一旦級(jí)間電介質(zhì)(ILD)層218(圖2(a)中沒(méi)有顯示)在結(jié)構(gòu)上形成，擴(kuò)展部分215提供導(dǎo)電通孔216 可以隨后限定于其上的表面。另外的通孔216也在加熱器電極206上 形成，以便使得加熱電流流過(guò)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208。更詳細(xì)地說(shuō)明形成步驟 以及實(shí)例處理?xiàng)l件的順序處理視圖在下文呈現(xiàn)。[0030圖3是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方案，結(jié)合實(shí)例感測(cè)電路 300說(shuō)明圖2的可編程eFUSE結(jié)構(gòu)200的操作的示意圖。加熱器電路 (由電極206和連接導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208限定)通過(guò)編程FET 302連接在電 源Vpp與大地之間，編程FET302具有施加到其柵極端子的控制信號(hào) V—gate。在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208上形成的PCM層214具有(通過(guò)通孔216 ) 連接到感測(cè)反相器304的輸入節(jié)點(diǎn)，以及通過(guò)參考電阻器RO連接到 大地的擴(kuò)展部分215。0031在圖3中，最初假設(shè)通過(guò)初始形成或者具體編程為結(jié)晶 態(tài)，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)218上的PCM層214的部分處于低電阻態(tài)。在熔絲器 件200的狀態(tài)感測(cè)期間，去激勵(lì)FET302，從而將加熱器陽(yáng)極與大地 隔離。因?yàn)檎麄€(gè)PCM層214處于導(dǎo)電(低電阻態(tài))中，施加到加熱 器陽(yáng)極的電源電壓Vpp也耦連到PCM層214的擴(kuò)展部分215，從而跨 越參考電阻器RO而建立。因?yàn)檫@種電壓(或者適合于與感測(cè)邏輯一 起使用的其他轉(zhuǎn)換后電壓)表示反相器304的輸入節(jié)點(diǎn)處的邏輯高電 壓，感測(cè)輸出將是邏輯低(大地)值。00321為了將PCM層214轉(zhuǎn)變成絕緣態(tài)，驟冷或復(fù)位操作，編 程晶體管302 (例如NFET)由Vgate上相對(duì)高的輸入電壓激勵(lì)以輸送 高電流，繼之以晶體管302的快速關(guān)閉。 一旦斷開(kāi)通過(guò)加熱器的電流， 熱量通過(guò)多晶硅快速傳導(dǎo)遠(yuǎn)離硅化物材料212和PCM層214,導(dǎo)致 PCM214的驟冷。因此，作為這種復(fù)位操作的結(jié)果，硅化物加熱器附 近的PCM層214的部分(圖4中以不同陰影顯示)轉(zhuǎn)變成非晶高電 阻態(tài)。在這種情況下，因?yàn)殡娫碫pp與PCM端子(擴(kuò)展部分215)之 間的電流通路現(xiàn)在被阻塞，反相器304輸入上的電壓將通過(guò)RO放電 到大地，從而驅(qū)動(dòng)感測(cè)輸出為高。[0033相反地，為了使PCM層214恢復(fù)回到導(dǎo)電狀態(tài)，退火或置位操作通過(guò)使用Vgate上相對(duì)低的輸入電壓導(dǎo)通晶體管302以輸送相對(duì)于復(fù)位操作的較低電流，此后關(guān)閉晶體管302而實(shí)現(xiàn)。PCM層214 的高電阻部分退火回到圖3中所示的低電阻結(jié)晶態(tài)，從而恢復(fù)PCM 端子(擴(kuò)展部分215 )與電源Vpp之間的電連接?？缭絉O的反相器輸 入節(jié)點(diǎn)的電壓變高，并且感測(cè)輸出驅(qū)動(dòng)回到低值。[0034如上所述，除了可重復(fù)編程的eFUSE之外，圖2的結(jié)構(gòu) 也可以用作例如PRAM器件的非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元。因此，圖 5(a)-5(c)是根據(jù)本發(fā)明另 一種實(shí)施方案，使用外加熱PCM且在器件處 理的柵極級(jí)形成的非易失性存儲(chǔ)器單元的頂部和橫截面視圖。如將注 意的，與圖2的eFUSE實(shí)施方案相比較，圖5(a)-5(c)中的存儲(chǔ)器單元 500包括基本上類(lèi)似的加熱器和PCM層構(gòu)造，并且添加有與加熱器 電極206的一個(gè)串聯(lián)的編程晶體管502。0035特別地，編程晶體管502包括在柵極絕緣層506上形成 的多晶硅柵極導(dǎo)體504，柵極絕緣層506又在襯底202的非絕緣部分 上形成。編程晶體管的集成相對(duì)于CMOS處理比較直接，包括源極/ 漏極區(qū)508的摻雜。應(yīng)當(dāng)注意在硅化過(guò)程中，硅化物接觸212也在包 含柵極導(dǎo)體504和源極/漏極區(qū)508的硅上形成。例如用來(lái)將編程晶體 管連接到加熱器電極206的一個(gè)，以及將另一個(gè)加熱器電極連接到電 源且將PCM層214連接到相關(guān)感測(cè)電路系統(tǒng)的第一布線層510也在 圖5(a)-5(c)中說(shuō)明。[0036與eFUSE實(shí)施方案相反，與非易失性存儲(chǔ)器單元500相 關(guān)聯(lián)的感測(cè)電路系統(tǒng)并不典型地依賴(lài)于加熱器電源電壓提供到其的 輸入信號(hào)。這在圖6的示意圖中示意地描繪，其中應(yīng)當(dāng)注意，電源電 壓Vpp與用作感測(cè)電路系統(tǒng)(圖6中沒(méi)有顯示)的輸入的感測(cè)電壓Vs 分離。 一般來(lái)說(shuō)，為了感測(cè)PCM存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，非零電壓施加 到Vs (感測(cè)端子)并且編程晶體管502的柵極被脈沖。流過(guò)PCM電 阻器Rv的電流的量取決于PCM的狀態(tài)(也就是，當(dāng)它處于低電阻 結(jié)晶態(tài)時(shí)大，而當(dāng)它處于高電阻非晶態(tài)時(shí)非常低)。[0037
一般地參考圖7(a)-7(c)，描繪例如圖5中顯示的PCM存儲(chǔ)器單元陣列的感測(cè)電路系統(tǒng)的各種實(shí)施方案。為了簡(jiǎn)單，陣列描繪為2x2;但是，應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的原理可適用于更大的陣列。[0038圖7(a)說(shuō)明實(shí)例感測(cè)陣列電路700。除了編程晶體管702 之外，每個(gè)單元包括配置成相對(duì)于編程晶體管702通過(guò)較低電流的另 外感測(cè)晶體管704。該配置防止電流通過(guò)給定列中的未選擇單元在編 程線(PA， PB等)和感測(cè)線(SA， SB等)之間循環(huán)。同樣如圖7(a) 中所示，可調(diào)節(jié)電源706 (VpA， VpB等)和固定電源708 (VsA， VsB等)為每列提供，像感測(cè)電流放大器710—樣。這些器件由開(kāi)關(guān) PA， PB等和SA， SB等連接到列線。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于感測(cè)電路實(shí)施 方案的任何一種，電源(例如可調(diào)節(jié)和固定電源706， 708)可以位于 與感測(cè)陣列電路700相同的電路板上，或者它們可以完全位于不同的 組件上。在后者實(shí)例中，片外電源將耦連到包含感測(cè)陣列電路700的 芯片上的相應(yīng)電源節(jié)點(diǎn)。0039為了編程單元(例如列A中)，PA開(kāi)關(guān)閉合而SA開(kāi)關(guān) 打開(kāi)。編程(高)電壓因此由可調(diào)節(jié)電源706施加到連接到單元的適 當(dāng)Vp線，并且與編程單元相對(duì)應(yīng)的柵極線(例如Vgl， Vg2等)被 脈沖。脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間在具有低幅度和慢降落的脈沖(例如用 于寫(xiě)入邏輯O的低電阻)以及具有大幅度和快降落的脈沖(例如用于 寫(xiě)入邏輯1的高電阻)之間選擇?？蛇x地，可以同時(shí)對(duì)于相同柵極線 上的所有0或所有1執(zhí)行編程。[0040為了感測(cè)(讀取)例如列A中的單元，PA開(kāi)關(guān)打開(kāi)而 SA開(kāi)關(guān)閉合。然后低于編程閾值的感測(cè)(低)電壓施加到感測(cè)線VsA， 并且與感測(cè)單元相對(duì)應(yīng)的柵極線(例如Vgl， Vg2等)被脈沖。連接 到所選柵極線的所有單元的并行輸出耦連到相應(yīng)電流感測(cè)輸出710， 從而產(chǎn)生例如列A中的Sense—out—A。[0041圖7(b)說(shuō)明圖7(a)的感測(cè)陣列電路的備選實(shí)施方案720， 其中每個(gè)單元中的感測(cè)晶體管704代替地由外圍電路系統(tǒng)中每行(柵 極線)的公用晶體管712取代。編程/感測(cè)單個(gè)單元的操作與圖7(a) 中描述的相同。應(yīng)當(dāng)注意，在圖7(b)的設(shè)計(jì)中，如果公用晶體管712不得不太大，同時(shí)感測(cè)或編程所選行中大量單元可能不實(shí)際。[0042圖7(c)說(shuō)明感測(cè)陣列電路740的再一種實(shí)施方案，其中經(jīng) 過(guò)Rv的感測(cè)電流通過(guò)小參考電阻器"r，，(其中r大約為l-100Q量級(jí)) 轉(zhuǎn)變成電壓。參考電阻器的值保持非常?。环駝t，它將由高達(dá)N(其 中N是行數(shù)，例如512)個(gè)電阻器(Rv+Rh/2)并聯(lián)在感測(cè)和編程線 之間。并聯(lián)導(dǎo)致感測(cè)輸出對(duì)于存儲(chǔ)器狀態(tài)，而不是僅僅對(duì)于所選單元 狀態(tài)的不期望相關(guān)性。因此，r<(Rv+Rh/2)/N，其中Rv是結(jié)晶態(tài)下 PCM的電阻值。因?yàn)閞值小，列感測(cè)放大器710是具有大約N量級(jí) (例如大約1000量級(jí))的高增益的脈沖電壓放大器；低電源電阻r 有助于它們的設(shè)計(jì)。同樣應(yīng)當(dāng)注意，單個(gè)可調(diào)節(jié)電源706(VpA， VpB 等)為每列而提供。在該實(shí)施方案中，在未選擇單元中給定列中編程 和感測(cè)線之間循環(huán)的顯著電流由編程和感測(cè)線的電壓的非常接近而 防止。0043圖7(c)的陣列由高電壓到連接到單元的適當(dāng)Vp線(A， B等)的施加，繼之以脈沖單元的柵極線而編程。再次，脈沖的幅度 和持續(xù)時(shí)間在具有低幅度和慢降落的脈沖(例如用于寫(xiě)入邏輯0的低 電阻)以及具有大幅度和快降落的脈沖(例如用于寫(xiě)入邏輯l的高電 阻)之間選擇?？蛇x地，可以同時(shí)對(duì)于相同柵極線上的所有O或所有 1執(zhí)行編程。為了感測(cè)陣列單元的狀態(tài)，低電壓(低于編程閾值)施 加到連接到單元的相應(yīng)Vp線(A， B等)，繼之以脈沖單元的柵極線。710，從而產(chǎn)生例如Sense—out_A。[0044盡管如上所述PCM器件的特定應(yīng)用(例如可重復(fù)編程的 eFUSE、非易失性PRAM等)，PCM器件的操作的某些關(guān)鍵方面包 括驟冷時(shí)間和驟冷(復(fù)位)功率。例如，驟冷時(shí)間必須短(例如納秒 時(shí)間級(jí))，以便使熔化的PCM材料冷卻到非晶態(tài)而不是重新結(jié)晶。 熔化材料所需的功率通過(guò)編程晶體管提供，并且該晶體管的長(zhǎng)度根據(jù) 由此提供的編程電流縮放。另外，晶體管寬度是每個(gè)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器位 的面積的主要因素。因此，使得編程功率達(dá)到最小是最小化每位面積的關(guān)鍵因素。熱流的3D仿真[0045熱仿真基于求解熱擴(kuò)散方程0046對(duì)于溫度r(r， 0，具有恒容時(shí)的比熱CV，擴(kuò)散系數(shù)JST(T) 和加熱速率H(r，,)。因?yàn)楣鑼?dǎo)線的高導(dǎo)熱率在熱時(shí)間常數(shù)和所需功率 方面起關(guān)鍵作用，考慮隨著增加的溫度該導(dǎo)熱率的顯著減小是重要 的，如圖8(a)的圖表中反映的。工作溫度區(qū)域上7r的近似r相關(guān)性由 表達(dá)式13/r1'258 W/cm/K給出。加熱速率取決于通過(guò)加熱器電阻 的電流，這也是溫度相關(guān)的，近似的行為由及-144+0.35r(C)ft表示， 如圖8(b)中所示。在別處，導(dǎo)電率和熱容量是恒定的且對(duì)于相應(yīng)材料 是典型的。[0047現(xiàn)在參考圖9(a)和9(b)，說(shuō)明與圖2的實(shí)施方案類(lèi)似的柵 極級(jí)PCM eFUSE卯0的3D仿真結(jié)果。圖9(a)的橫截面視圖一般地對(duì) 應(yīng)于圖2(c)中看到的視圖，而圖9(b)的橫截面視圖一般地對(duì)應(yīng)于圖2(b) 中看到的視圖。在說(shuō)明的具體仿真中，eFUSE器件900測(cè)量 1.28x0.58x0.38 nm3。陰極和陽(yáng)極的面內(nèi)尺寸是0.3x0.3 nm2，并且連 接它們的硅化物條帶(導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208 )是0.40pm長(zhǎng)且0.03nm厚。PCM 214是與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208的硅化物條帶部分平行的0.12nm寬，并且 0.05jim厚。對(duì)于珪化物條帶內(nèi)部的恒定電流，電阻及-144+0.35r(C) 使得加熱速率以相同的方式隨著溫度變化。[0048在描繪的仿真中，溫度相關(guān)的加熱速率作用于硅化物長(zhǎng) 達(dá)34ns，繼之以另外6ns的零加熱速率。溫度在加熱期間在器件的所 有位置升高，引起與硅化物212接觸的PCM 214的所有部分的熔化。 一旦加熱速率降低到零，溫度相應(yīng)地在所有位置降低，但是特別地， PCM214中的溫度在大約lns內(nèi)非常突然地降低(到低于熔化溫度)。 這足夠快以使得PCM驟冷且使得它不導(dǎo)電。[0049特別地，圖9(a)和9(b)使用大約255 C的外部等溫線904 和假設(shè)為607。C的PCM熔化溫度的.內(nèi)部等溫線902描繪恰好驟冷之前的溫度分布。在這一點(diǎn)上，內(nèi)部等溫線902內(nèi)的PCM全部熔化。 加熱階段中輸入到硅化物的平均功率是2.4mW。 34ns之后的峰值溫 度是大約847°C，這足夠低以保持材料的完整性。各種其他設(shè)計(jì)、尺 寸和加熱速率同樣被仿真，使用硅化物材料中的相對(duì)低的外加功率電 平和低峰值溫度說(shuō)明期望的PCM熔化溫度。 材料問(wèn)題0050在圖2和5中顯示的eFUSE和存儲(chǔ)器單元的公開(kāi)實(shí)施方 案的物理實(shí)現(xiàn)中，在襯底級(jí)形成FET器件的導(dǎo)電接觸時(shí)使用的硅化 物材料也用來(lái)形成加熱器電路的電極和導(dǎo)錢(qián)結(jié)構(gòu)。實(shí)例記錄過(guò)程利用 摻雜有大約5。/。Pt的鎳單硅化物(NiSi)作為硅化物金屬。但是，取 決于驟冷/退火循環(huán)中所需的功率/溫度升高，可能需要考慮其他二硅 化物材料，例如CoSi2或TiSi2。在CoSh或TiSi2的情況下，為了容 易將PCM器件集成到CMOS處理中，硅化物接觸形成的現(xiàn)有記錄過(guò) 程也可用。三種不同硅化物的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)在圖IO中說(shuō)明。[0051在

圖10中列出的三種硅化物中，NiSi的熔化溫度最低(低 于1000°C),而TiSh的熔化溫度最高。高溫下珪化物穩(wěn)定性(從而 驟冷/退火循環(huán)中加熱器/PCM界面的完整性)影響最大化eFUSE/存 儲(chǔ)器單元的多次(可重復(fù)編程能力)特征的能力。如此，也應(yīng)當(dāng)考慮 可以形成具有不同電阻率的多種硅化物相態(tài)。但是，改變硅化物電阻 率在控制和管理驟冷/退火循環(huán)中的功率輸入方面是成問(wèn)題的。[00521關(guān)于NiSi，某些挑戰(zhàn)包括更復(fù)雜的相態(tài)形成(富有多種 金屬的相態(tài))，在BEOL退火中形成較高電阻率NiSh的可能性，以 及較低的形態(tài)穩(wěn)定性。另一方面，NiSi的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它解決了窄多 晶硅線中成洞的問(wèn)題，如果采取措施防止其他硅化物相態(tài)形成。這可 以通過(guò)另外的摻雜(例如除了 Pt之外，Re、 Rh或Hf)實(shí)現(xiàn)。 GST-225/NiSi (5% Pt)界面的盧瑟福背散射光鐠學(xué)(RBS )分析指 示至少高達(dá)大約505。C時(shí)穩(wěn)定。這部分因?yàn)橛米?中間)擴(kuò)散勢(shì)壘的 硅化物表面上薄的天然(大約25A) SK)2層。通過(guò)在界面處添加薄的 Ti層以形成GST-225/Ti/NiSi(5。/。Pt)層疊， 一些界面反應(yīng)發(fā)生，因?yàn)門(mén)i是非常有效的氧獲得者(通過(guò)減少M(fèi)Si上的SK)2和/或擴(kuò)散到 GST中)。為了維持高溫下界面的完整性，可以使用氮化物或氧化物 的勢(shì)壘層。 制造[00531最后，圖11-14是說(shuō)明形成圖2的eFUSE器件的實(shí)例方 法的更詳細(xì)順序描述的頂部和橫截面視圖。如先前指示的，圖 ll(a)-ll(c)中的結(jié)構(gòu)依照標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理形成。首先，通過(guò)在襯底上 形成STI區(qū)204限定有效面積。包括陽(yáng)極、陰極(電極206 )和加熱 器鏈路(導(dǎo)線結(jié)構(gòu)208)的加熱元件在多晶硅導(dǎo)體形成過(guò)程(材料沉 積、光刻圖案形成和刻蝕)以及隨后的氮化物隔離物形成過(guò)程中形成。0054圖12(a)-12(c)說(shuō)明作為自對(duì)準(zhǔn)硅化過(guò)程結(jié)果的器件。在實(shí) 例實(shí)施方案中，在大約8nm的NiPt合金(95% M， 5% Pt)和5nm 的TiN作為硅化物金屬材料賊射沉積之前，使用40:1 BHF (緩沖氬 氟酸)濕法清潔器件長(zhǎng)達(dá)45秒。大約5秒的短時(shí)間退火用來(lái)使P+多 晶硅(120nm)與沉積的NiPt ( 8nm )反應(yīng)以形成大約16nm的NiPt (95%Ni， 5。/。Pt)硅化物層212。未反應(yīng)的NiPt金屬通過(guò)在王水(5 份濃縮(37%)鹽酸，1份濃縮(70%)硝酸，以及4份去離子水) 中刻蝕幾分鐘而去除。第二較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的均勻退火在大約500°C下 完成硅化。00551在圖13(a)國(guó)13(c)中,顯示PCM材料214 (例如GST )的 沉積和圖案形成的另外過(guò)程。在圖14(a)-14(c)中，顯示MOL (中段 制程)電介質(zhì)沉積218和接觸(通孔216)形成之后的器件。如本領(lǐng) 域中已知的，接觸形成通過(guò)電介質(zhì)層218的光刻圖案形成和刻蝕，繼 之以鑲嵌金屬(例如W)沉積和平面化而實(shí)現(xiàn)。此后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)邏輯 處理技術(shù)繼續(xù)隨后的處理。[0056雖然已經(jīng)參考一種或多種優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明，但 是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以進(jìn)行各種改變并且可以用等價(jià)物代 替其元件而不背離本發(fā)明的范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改以使得特 定情況或材料適合于本發(fā)明的講授而不背離其本質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明并不打算局限于作為認(rèn)為實(shí)施本發(fā)明的最佳方式而公開(kāi)的特定實(shí) 施方案，而是本發(fā)明將包括落在附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方 案。
權(quán)利要求
1.一種可編程相變材料(PCM)結(jié)構(gòu)，包括在半導(dǎo)體器件的晶體管柵極級(jí)形成的加熱器元件；加熱器元件還包括由相對(duì)于電極的細(xì)線結(jié)構(gòu)連接的一對(duì)電極，加熱器元件被配置成接收通過(guò)那里的編程電流；位于細(xì)線結(jié)構(gòu)的一部分的頂上的一層相變材料；以及配置成感測(cè)相變材料的電阻的感測(cè)電路系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的可編程PCM結(jié)構(gòu)，其中感測(cè)電路系統(tǒng)還節(jié)點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的可編程PCM結(jié)構(gòu)，其中感測(cè)電路系統(tǒng)還 包括耦連到輸入節(jié)點(diǎn)的參考電阻器，使得當(dāng)在細(xì)線結(jié)構(gòu)上形成的相變 材料的一部分被編程為高電阻態(tài)時(shí)，輸入節(jié)點(diǎn)放電到大地。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的可編程PCM結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)在細(xì)線結(jié)構(gòu)上 形成的相變材料的一部分被編程為低電阻態(tài)時(shí)，輸入節(jié)點(diǎn)通過(guò)耦連到 加熱器電源而維持在邏輯高電壓。
5. —種非易失性可編程相變材料(PCM)存儲(chǔ)器陣列，包括 以行和列排列的多個(gè)存儲(chǔ)器單元，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括在半導(dǎo)體器件的晶體管柵極級(jí)形成的加熱器元件；加熱器元件還包括由相對(duì)于電極的細(xì)線結(jié)構(gòu)連接的一對(duì)電極，加 熱器元件被配置成接收通過(guò)那里的編程電流；位于細(xì)線結(jié)構(gòu)的一部分的頂上的一層相變材料；以及 配置成感測(cè)相變材料的電阻的感測(cè)電路系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的存儲(chǔ)器陣列，其中感測(cè)電路系統(tǒng)還包括 與每列相對(duì)應(yīng)的編程線，配置編程線用于選擇性耦連到可調(diào)節(jié)電源；用于每個(gè)單元的編程晶體管，所述編程晶體管串聯(lián)在單元加熱器 元件與編程線之間，其中編程晶體管由施加到與給定行相對(duì)應(yīng)的柵極線的信號(hào)激勵(lì)；以及與每列相對(duì)應(yīng)的感測(cè)線，配置感測(cè)線用于選擇性耦連到固定電源；其中不與細(xì)線結(jié)構(gòu)直接接觸的相變材料的擴(kuò)展部分被配置成接 收施加到那里的感測(cè)電壓，所述感測(cè)電壓來(lái)源于固定電源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器陣列，其中每個(gè)單元還包括串聯(lián)在 相變材料的擴(kuò)展部分與感測(cè)線之間的感測(cè)晶體管，其中感測(cè)晶體管由 施加到單元的柵極線的信號(hào)激勵(lì)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器陣列，其中每行還包括將該行中的 加熱器元件的每個(gè)選擇性地連接到大地的位于外圍的感測(cè)晶體管，其 中感測(cè)晶體管由施加到該行的柵極線的信號(hào)激勵(lì)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的存儲(chǔ)器陣列，其中通過(guò)施加編程電壓到相 關(guān)編程線以及耦連到單元的編程晶體管的柵極線的脈沖來(lái)編程所選 單元，其中依賴(lài)于要編程到單元中的位的邏輯狀態(tài)，柵極線脈沖的幅 度和持續(xù)時(shí)間在以下兩者之間擇一較低幅度且較慢斜率下降，以及 較大幅度且較快斜率下降。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的存儲(chǔ)器陣列，其中通過(guò)施加感測(cè)電壓到相關(guān)感測(cè)線以及耦連到單元的編程晶體管的柵極線的脈沖來(lái)感測(cè)所選單元，其中編程線上感測(cè)的電流的幅度對(duì)應(yīng)于所選單元的邏輯狀態(tài)， 以及其中感測(cè)電壓小于編程電壓的閾級(jí)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5的存儲(chǔ)器陣列，其中感測(cè)電路系統(tǒng)還包括 與每列相對(duì)應(yīng)的編程線，配置編程線用于選擇性耦連到可調(diào)節(jié)電源；用于每個(gè)單元的編程晶體管，編程晶體管串聯(lián)在單元加熱器元件 與大地之間，其中編程晶體管由施加到與給定行相對(duì)應(yīng)的柵極線的信 號(hào)激勵(lì)；以及參考電阻器，與編程線并聯(lián)，并且串聯(lián)在列的每個(gè)單元的相變材 料的擴(kuò)展部分與可調(diào)節(jié)電源的電源節(jié)點(diǎn)之間；其中選擇參考電阻器的電阻值以便將感測(cè)電壓施加到列的每個(gè)單元的相變材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的存儲(chǔ)器陣列，其中根據(jù)表達(dá)式 r<(Rv+Rh/2)/N選擇參考電阻器的電阻值r;其中Rv代表結(jié)晶態(tài)中相 變材料的低電阻值，Rh代表加熱器元件的電阻值，以及N是陣列中 行的總數(shù)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的存儲(chǔ)器陣列，其中r為大約1至大約100歐姆。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的存儲(chǔ)器陣列，其中通過(guò)施加編程電壓到 相關(guān)編程線以及耦連到單元的編程晶體管的柵極線的脈沖來(lái)編程所 選單元，其中依賴(lài)于要編程到單元中的位的邏輯狀態(tài)，柵極線脈沖的 幅度和持續(xù)時(shí)間在以下兩者之間擇一較低幅度且較慢斜率下降，以 及較大幅度且較快斜率下降。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的存儲(chǔ)器陣列，其中通過(guò)耦連到單元的編 程晶體管的柵極線的脈沖來(lái)感測(cè)所選單元，其中通過(guò)感測(cè)電阻器的電 流的幅度對(duì)應(yīng)于所選單元的邏輯狀態(tài)，以及其中感測(cè)電壓小于編程電 壓的閾級(jí)。
16. —種形成可編程相變材料(PCM)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底之上、在與半導(dǎo)體器件的晶體管柵極級(jí)相對(duì)應(yīng)的位置形成多晶硅層；對(duì)多晶硅層形成圖案以便限定一對(duì)電極和連接電極的細(xì)線結(jié)構(gòu)； 在形成圖案的多晶硅層上形成硅化物金屬層以便限定加熱器元件；以及形成位于加熱器元件的細(xì)線結(jié)構(gòu)的一部分的頂上的一層相變材料；其中與同相變材料的一部分接觸的細(xì)線結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的硅化物金 屬層的部分配置成以將相變材料被編程為低電阻結(jié)晶態(tài)和高電阻非 晶態(tài)中的一種的方式來(lái)選擇性地加熱相變材料的部分。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中相變材料還包括Ge-Sb-Te(GST)合金材料和GeSb4材料中的一種。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中硅化物金屬包括硅化鈦、硅 化鈷、硅化鎳、硅化鉑、硅化鴒、硅化鉭、硅化鉺和硅化锪的一種。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中多晶硅層的一部分被形成圖 案作為與加熱器元件串聯(lián)的編程晶體管的柵電極。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括在不與細(xì)線結(jié)構(gòu)直接接觸 的相變材料的擴(kuò)展部分上形成一個(gè)或多個(gè)接觸通孔，配置該一個(gè)或多 個(gè)接觸通孔以提供到感測(cè)電路系統(tǒng)的連接，感測(cè)電路系統(tǒng)被配置成感 測(cè)相變材料的電阻。
全文摘要
一種可編程相變材料(PCM)結(jié)構(gòu)，包括在半導(dǎo)體器件的晶體管柵極級(jí)形成的加熱器元件，加熱器元件還包括由相對(duì)于電極的細(xì)線結(jié)構(gòu)連接的一對(duì)電極，加熱器元件配置成接收通過(guò)那里的編程電流，位于細(xì)線結(jié)構(gòu)的一部分頂上的一層相變材料，以及配置成感測(cè)相變材料的電阻的感測(cè)電路系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G11C16/02GK101241926SQ20081000208
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者丹尼斯·M.·紐恩斯, 利亞·克魯辛-艾爾鮑姆, 布魯斯·G.·埃爾米格林, 樸炳柱, 薩布拉瑪尼安·S.·伊耶, 金德起 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司