[发明专利]具有热绝缘层的薄膜相变化单元及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用相变化存储材料的高密度存储元件，包括以硫属化物为基础的材料与其它材料，并涉及用以制造这种元件的方法。

背景技术

以相变化为基础的存储材料被广泛地运用于读写光盘中。这些材料包括有至少两种固态相，包括如大部分为非晶态的固态相，以及大体上为晶态的固态相。激光脉冲用于读写光盘，以在两种相中切换，并读取此种材料在相变化之后的光学性质。

如硫属化物及类似材料的这种相变化存储材料，可通过施加其幅度适用于集成电路中的电流，而致使晶相变化。一般而言非晶态的特征为电阻高于晶态，此电阻值可轻易测量得到而用以作为指示。这种特性则引发使用可编程电阻材料以形成非易失性存储器电路等兴趣，此电路可用于随机存取读写。

从非晶态转变至晶态一般为低电流步骤。从晶态转变至非晶态(以下指称为重置(reset))一般为高电流步骤，其包括短暂的高电流密度脉冲以融化或破坏结晶结构，其后此相变化材料会快速冷却，抑制相变化的过程，使得至少部份相变化结构得以维持在非晶态。理想状态下，致使相变化材料从晶态转变至非晶态的重置电流幅度应越低越好。欲降低重置所需的重置电流幅度，可通过减小在存储器中的相变化材料元件的尺寸以及减少电极与此相变化材料的接触面积而实现，因此可针对此相变化材料元件施加较小的绝对电流值而实现较高的电流密度。

此领域发展的一种方法致力于在集成电路结构上形成微小孔洞，并使用微量可编程的电阻材料填充这些微小孔洞。致力于这种微小孔洞的专利包括：在1997年11月11日公布的美国专利第5,687,112号“Multibit Single CellMemory Element Having Tapered Contact”，发明人为Ovshinky；在1998年8月4日公布的美国专利第5,789,277号“Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”，发明人为Zahorik等；在2000年11月21日公布的美国专利第6,150,253号“Controllable Ovonic Phase-ChangeSemiconductor Memory Device and Methods of Fabricatingthe Same”，发明人为Doan等。

在以非常小的尺度制造这些装置以及欲满足生产大尺寸存储装置时所需求的严格工艺参数时，则会遇到问题。其中一个与较小尺寸的相变化单元相关的问题是由环绕于有源区域的材料的导热系数所造成。为了导致相变化发生，在有源区域内的相变化材料的温度必须达到相变化的临界值。然而，由通过相变化材料的电流所产生的热会被环绕结构很快传导走。热由此有源区域内的相变化材料传导走会降低电流的加热效应，也同时会干扰此相变化材料的运作。

因此，希望能提供一种存储单元(memory cell)结构其包括有小尺寸以及低重置电流，以及用以制造这种结构的方法，其可满足生产大尺寸存储装置时的严格工艺参数规格。优选地，提供一种制造程序与结构，其相容于用以在同一集成电路上制造周边电路。

发明内容

本发明描述一种相变化随机存取存储(PCRAM)元件，其适用于大尺寸集成电路中。在此所描述的技术，包括存储元件，其包括具有顶侧的第一电极、具有顶侧的第二电极以及位于第一电极与第二电极之间的绝缘构件。绝缘构件在第一与第二电极之间、接近第一电极的顶侧与第二电极的顶侧处，具有一个厚度。薄膜导桥横跨了绝缘构件，并在第一与第二电极之间、横跨绝缘构件处定义了电极间路径。此薄膜导桥包括相变化材料的有源层，以及提供此有源层与其下结构之间的热隔离覆盖材料层。此提供热隔离的覆盖材料可以包括与有源层的相变化材料相同的物质。此提供热隔离的覆盖材料可以包括复合结构，其具有第一隔离层，以及第二隔离层，其中隔离层隔离有源层与热绝缘层料，及/或做为扩散阻挡层防止物质在有源层与热绝缘层料之间迁移。横跨绝缘构件的电极间路径，具有路径长度，其由绝缘构件的宽度所定义。为了说明方便，此导桥可视为如保险丝的结构。然而对于相变化存储器而言，其并不类似保险丝，而是包括了具有至少两种固态相的硫属化物材料或类似材料，此两种固态相可通过在其间施加电流或在第一与第二电极之间施加电压而可逆地诱发。电绝缘材料层，位于该热绝缘材料覆盖层之上，其中该热绝缘材料覆盖层导热性低于该电绝缘材料层。