專利名稱：電子器件和制造電子器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子器件。
而且，本發(fā)明涉及一種制造電子器件的方法。
背景技術(shù)：
在非易失性存儲器領(lǐng)域中，使閃存的尺寸縮小已經(jīng)成為了關(guān)鍵。 面對這一挑戰(zhàn)的技術(shù)是鐵電體存儲器、磁存儲器和相變存儲器，相變 存儲器有望替代閃存，并且其顯示了能夠替代諸如DRAM之類的其 他類型存儲器的特性。相變存儲器是作為電子領(lǐng)域的一個重要步驟的 統(tǒng)一存儲器的一個可能的解決方案。OTP (" —次性可編程")和 MTP ("多次可編程")存儲器打開了可能為相變存儲器提供很大機 會的一個領(lǐng)域。
相變存儲器基于使用例如硫?qū)倩锏目赡娲鎯η袚Q。這些材料 經(jīng)受快速相變的能力導(dǎo)致了可重寫光學(xué)介質(zhì)(CD， DVD)的發(fā)展。可 基于其結(jié)晶機理將硫?qū)倩锵嘧儾牧戏譃榻M成稍微不同的兩類。"成
核主導(dǎo)"材料GeTe-Sb2Te3連接線(諸如Ge2Sb2Te5)通常被用于奧 弗辛斯基電效應(yīng)統(tǒng)一存儲器(OUM)裝置。在這種構(gòu)想中，所述相 變材料可以與底部阻抗電極接觸從而可逆切換為小體積的相變材料。 在光學(xué)存儲應(yīng)用(CD-RW/DVD+RW)中已知的"快速生長材料"能 夠以適當?shù)南辔环€(wěn)定性進行非常快速的切換(例如10ns)。
因此，相變材料可用于存儲信息。這些材料的工作原理是相位 的改變。在結(jié)晶相中，材料結(jié)構(gòu)不同于非晶相中的結(jié)構(gòu)，因此結(jié)晶相 中的材料的材料特性不同于非晶相中的材料的材料特性。
US2005/0212024 Al公開了一種制造存儲器裝置的方法，以及具 有適于利用適當?shù)那袚Q處理而被或多或少地布置為導(dǎo)電狀態(tài)的活性 材料的存儲器裝置，其中，活性材料被嵌入到電絕緣材料中。然而，根據(jù)US2005/0212024 Al的對在結(jié)晶相和非晶相之間切 換所需的高電流值的要求可能導(dǎo)致出現(xiàn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的電子器件，該 可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可用合理的電流值加熱。
為了實現(xiàn)上述目的，提供一種根據(jù)獨立權(quán)利要求的電子器件和 制造電子器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供一種電子器件，其包括矩 陣和嵌入到所述矩陣中的多個島狀物，并且包括能夠在至少兩個狀態(tài) 之間轉(zhuǎn)換的材料，所述至少兩個狀態(tài)的特征在于不同的電特性，其中， 所述多個島狀物在所述矩陣中形成了連續(xù)路徑(其還可被表示為滲流 路徑，該路徑可以以復(fù)雜的方式彎曲，或者例如，在偏析將導(dǎo)致多個 薄層分開的情況中，該路徑甚至可以是線性的)，例如，在電子器件 的兩個端部之間提供連續(xù)(電)連接，從而在耦接到電子器件的兩個 端部的兩個電端子之間電流可沿著所述連續(xù)路徑流動。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，提供一種形成電子器件的方 法，該方法包括將多個島狀物(包括能夠在至少兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換 的材料，所述至少兩個狀態(tài)的特征在于不同的電特性)嵌入到矩陣中， 并且通過所述矩陣中的多個島狀物形成連續(xù)的(或者連接的或相連的 或連貫的)路徑。
術(shù)語"電子器件"尤其可表示任何實現(xiàn)了任意電氣、磁和/或電 功能的器件、部件或設(shè)備。這意味著電、磁和/或電磁信號可在常規(guī) 使用時被應(yīng)用于電子裝置和/或由電子裝置產(chǎn)生。
術(shù)語"可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)"尤其可表示任何具有可轉(zhuǎn)換特性的物理結(jié) 構(gòu)。其例子是相變結(jié)構(gòu)或具有熱變特性的結(jié)構(gòu)。相變材料不但可具有 兩種相位，還可具有多于兩種的相位，例如，結(jié)晶相、非晶相、元非
晶相 (meta陽amorphous)、 元結(jié)晶相 (meta-crystalline)、 具有不同 的晶格取向的結(jié)晶相，等等。
術(shù)語"相變結(jié)構(gòu)"尤其可表示任何具有在熱量(由流經(jīng)相變結(jié)
7構(gòu)或電耦接/熱耦接加熱元件的電流的歐姆損耗(焦耳加熱或電阻耗 散)產(chǎn)生，和/或由對電磁輻射的吸收而產(chǎn)生)影響下改變?nèi)魏挝锢?參數(shù)或材料特性的特性的物理結(jié)構(gòu)。這尤其可表示由非晶相結(jié)構(gòu)和結(jié) 晶相結(jié)構(gòu)之間的諸如硫?qū)倩镏惖牟牧现瞥傻拈_關(guān)，其可伴隨有電 阻率的顯著改變。然而，諸如從固相到液相的改變之類的任何其它相 變可由該術(shù)語涵蓋，所述相變與物理特性的改變相關(guān)聯(lián)。
術(shù)語"存儲單元"尤其可表示允許以電子的方式存儲信息的物 理結(jié)構(gòu)(諸如層序列，例如，整體地集成到諸如硅基片之類的基片中)。 存儲單元中存儲的信息量可以是1位(尤其當相變材料在表示邏輯值 "1"或"0"的兩種相位之間進行切換時)或者可以多于1位(尤其 當相變材料在至少三種相位之間切換時)。存儲單元可形成在可表示 任何諸如半導(dǎo)體、玻璃、塑料之類的適當材料的基片之上和/或之中。
術(shù)語"基片"可被用于一般地限定用于所關(guān)注的層或部分之下 和/或之上的層的元件。而且，基片可以是其上形成有層的任何其它 基底，例如諸如硅晶片或硅芯片之類的半導(dǎo)體晶片。
術(shù)語"矩陣"可表示多器件混合物中的一個器件，該器件包圍 了嵌入到該器件中的多個島狀物和/或由多個島狀物包圍。矩陣的體 積百分比可以(或者不會)(顯著地)大于該電子器件中的多個島狀 物的體積百分比。因此，所述矩陣可以是封閉了島狀物材料的大量顆 粒的材料。
術(shù)語"島狀物"尤其可表示諸如珠狀、球狀或非對稱體積之類 的顆粒，其至少部分地由矩陣的材料包圍和/或至少部分地包圍矩陣
的材料。(例如，lnm厚的)薄導(dǎo)電層也可被歸入術(shù)語"多個島狀物"， 由于也存在偏析導(dǎo)致多個薄層分開的可能性。
術(shù)語"連續(xù)路徑"或"滲流路徑"尤其可表示電流可沿著其流 動的連續(xù)的或連貫的結(jié)構(gòu)或路線。因此，沿著該滲流路徑，所述多個 島狀物可以以機械方式(還可以以電的方式)無中斷地連接。換言之， 連續(xù)路徑可到達矩陣-島狀物結(jié)構(gòu)的邊界，從而在連續(xù)路徑的導(dǎo)電狀 態(tài)下電流可在該連續(xù)路徑的一個端部注入，可沿著該連續(xù)路徑流動， 并且在該連續(xù)路徑的另一個端部上可存在矩陣-島狀物結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，相變材料的多個小島狀物可被嵌 入到電絕緣矩陣中以形成具有高電阻率值的導(dǎo)電部分。作為本發(fā)明的 示例性實施例的電阻的上限，可加入R爐rix〉Reryst,th和/或pmatrix > Pcryst. path0 頭^fe中，如果Rmatrix > Ramorphous. path和Pmatrix > Pamorphous.
path，則這是合適的，但是這并非嚴格限制，并且因此對于第一標準
是可選的。對于R yst,th<R matrix < Ramorphous. path 的情況，獲得了類似 于并行加熱器線的結(jié)構(gòu)，見WO 2004/057676。因此，當編程功率保 持恒定時，可減小在結(jié)晶相和非晶相之間切換連續(xù)相變材料島狀物所 需的編程電流?？蛇x地，通過恒定的編程電流，可減小編程功率。這 可允許制造小型的諸如存儲單元之類的電子器件，因此提高了存儲器 陣列中的存儲單元的集成密度。這是由于在減小基于相變材料的電子 驅(qū)動電路器件的尺寸時必要的編程電流/編程功率是一個限制因素。
由于用于將相變線單元從其結(jié)晶態(tài)(設(shè)置狀態(tài))轉(zhuǎn)換為非晶態(tài) (復(fù)位狀態(tài))的復(fù)位電流的大小對于縮小存儲單元的尺寸也是一個限 制因素，因此通過將其設(shè)計為嵌入到矩陣中的多個相變材料島狀物來 提高相變存儲元件的電阻，從而允許制造減小了尺寸的電子器件。
根據(jù)示例性實施例，提供一種相變存儲元件，其包括線單元， 線單元包括多個嵌入到絕緣材料矩陣中的相變材料的小島狀物(或包 括這樣的小島狀物的矩陣)，從而通過島狀物形成滲流路徑。
根據(jù)示例性實施例，可用基于兩種穩(wěn)定的成分的偏析的自組織 過程來制造具有島狀物的矩陣。 一種穩(wěn)定的成分可以是諸如Sb2Te 之類的相變材料、和/或摻雜的Sb2Te材料(用于一個較大列表中的 適當材料，見WO2004/057684) 、 GeTe或Sb2Te3或這些成分的任何 其它組合，例如GeiSb4Te7、 Ge:b2Te4和Ge2Sb2Te5。第二種穩(wěn)定 的成分可以是絕緣體，例如GeSe2、 GeSe、 GeS2或GeS。
本發(fā)明的示例性實施例可具有這樣的優(yōu)點，可通過提高線電阻R 并將總的編程功率P-^R保持為相同大小來減小復(fù)位電流I?？色@得 提高的線電阻而不會使得與諸如(在提高的溫度下的)結(jié)晶速度、閾 值電場、循環(huán)擦寫性能和數(shù)據(jù)保持性(這取決于在用戶條件下的結(jié)晶 化速度)之類的相變材料相關(guān)的全部其他重要的相變讀寫存儲器特性劣化。線的適當電阻處于lkQ和10kQ之間。通過阻抗匹配到驅(qū)動晶 體管來獲得這些值。在65nm節(jié)點處，可用電壓是1.2伏。當晶體管 兩端的該電壓下降了大約1/3從而能夠發(fā)出約400微安(nA)的適當 電流時，相變線電阻R兩端的電壓還降低大約0.8伏。必要地，該電 壓服從R" 0.8/400■ 10'6=2kQ 。可實現(xiàn)非常低的電流，對于具有0.3 W/K 的導(dǎo)熱系數(shù)的黑色鉆石電介質(zhì)，其在電壓為1伏下是100微安。注意， 該情況下的晶體管僅需要0.2伏電壓來發(fā)出IOO微安(pA)的電流。 因此，R將不能超過V/I=l/100-10—6=10kQ。
使用形成線寬w=50nm、線長L=100nm并且線高h=20nm的圖 形尺寸，l至10kQ的線電阻R導(dǎo)致Peff=R，h/L的"有效電阻率peff" 是1000-10000 ^Qcm。注意，這些有效電阻率可在選擇了不同的線長、 線寬和線高時改變。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，可提高設(shè)置電阻，從而也提高了 降低編程電流的耗散功率密度。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例可采用一 種措施，即，使用沉積的相變材料內(nèi)的絕緣材料的自組織的措施，該 措施可允許獲得形成圖形的線。在這樣形成圖形之后，沉積的相變材 料中的絕緣材料的單元形成可提高薄膜的電阻。因此，可提供絕緣材 料和相變材料的混合/結(jié)合以提高耗散功率密度。
提供一種方法，通過該方法，可提高設(shè)置狀態(tài)下的相變線的電 阻從而可實質(zhì)上降低編程電流，同時不會使得相變線的其它特性劣 化，這種方法可提高相變RAM存儲器的設(shè)置電阻。另外，該方法可 允許將線電阻調(diào)整到由所選擇晶體管進行適當?shù)纳踔磷罴训墓β瘦?出所需的值。
接下來，將說明電子器件的進一步的示例性實施例。然而，這 些實施例還可應(yīng)用于制造電子器件的方法。
多個島狀物可形成熱變結(jié)構(gòu)，尤其是可在至少兩個相位狀態(tài)之 間轉(zhuǎn)換的相變結(jié)構(gòu)。因此，在由流經(jīng)該相變結(jié)構(gòu)和/或與該相變結(jié)構(gòu) 相連接的電極的編程電流的歐姆損耗產(chǎn)生的熱量和快速的冷卻時間 (例如ns級別)的影響下，可開始在兩個相位之間進行切換。還可 通過電磁輻射來提供熱能。
10尤其是，可調(diào)整相變結(jié)構(gòu)，從而使相變材料的導(dǎo)電率的值在兩 個相位狀態(tài)之間不同。在至少兩個相位狀態(tài)的一個相位狀態(tài)下，相變 結(jié)構(gòu)可以是導(dǎo)電的。在另一個相位狀態(tài)下，導(dǎo)電率可以大于或小于第 一狀態(tài)下的導(dǎo)電率，例如，相變結(jié)構(gòu)可以是超導(dǎo)體，或者可以是半導(dǎo) 體，或者可以是絕緣體，或者可以是具有可變導(dǎo)電率的值的導(dǎo)體。在 電子器件的正常操作中，電子裝置的功能將被影響，將被限定，或者 將取決于相變結(jié)構(gòu)中的相變材料的導(dǎo)電率的當前值。這可允許通過使 用不同的相位模式下的相變結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率的不同值來制造存儲單元、 開關(guān)、致動器、傳感器等。
可調(diào)整該相變結(jié)構(gòu)，從而使兩個相位狀態(tài)之一與相變結(jié)構(gòu)的結(jié) 晶相相關(guān)，并且使兩個相位狀態(tài)的另一個與相變結(jié)構(gòu)的非晶相相關(guān)。 可在硫?qū)倩锊牧现邪l(fā)現(xiàn)這樣的材料特性。可使用硫?qū)倩锊Ａ?，?屬化物玻璃是包含硫族元素(硫、硒或碲)作為基本成分的玻璃。例 如，相變禾才料是GeSbTe、 AglnSbTe、 InSe、 SbSe、 SbTe、 InSbSe、 InSbTe、 GeSbSe、 GeSbTeSe或AglnSbSeTe。
至少兩個不同狀態(tài)下的島狀物的不同電特性可以是所述多個島 狀物的不同值的導(dǎo)電率、不同值的介電常數(shù)、不同值的導(dǎo)磁率、不同 值的電容、或者不同值的電感。因此，相變可能影響任何能夠被采樣 的電特性，例如，可能改變電介質(zhì)的介電常數(shù)，可能改變電容器的電 容值，可以通過施加測試電壓來對電特性進行采樣。或者，相變可能 改變導(dǎo)磁率并且因此改變電感器的電感值，導(dǎo)磁率和電感值也可以以 電子方式而被采樣。
電子器件可包括電驅(qū)動和感測電路，用于驅(qū)動和感測處于至少 兩個狀態(tài)中的各個不同狀態(tài)下的多個島狀物的不同電特性。例如，測 試電壓可被施加到所述多個島狀物 ，并且沿著所述多個島狀物流過的 電流將取決于島狀物材料的相位狀態(tài)，這是由于導(dǎo)電率在結(jié)晶相和非 晶相下不同。這樣的感測電路還可包括選擇晶體管或其它種類的開 關(guān)，所述晶體管或其他種類的開關(guān)有選擇地允許或禁止對電子器件陣 列中的特定電子器件進行訪問。因此，可將各個選擇晶體管分配給每 一個電子器件。所述多個島狀物可形成矩陣內(nèi)的連續(xù)的(或不間斷的)滲流路 徑，連續(xù)(滲流)路徑可能在至少兩個狀態(tài)中的至少一個狀態(tài)下是導(dǎo) 電的。因此，采樣電流可沿著滲流路徑流動，并且可被感測到或檢測 到，從而例如在存儲單元的環(huán)境中，可確定各個存儲單元中當前存儲 的是邏輯狀態(tài)"1"還是邏輯狀態(tài)"0"。因此，在不同的導(dǎo)電率值下 可對不同的邏輯值進行編碼。
多個島狀物可包括由Sb2Te、 GeTe禾P Sb2Te3構(gòu)成的組的材料。 在該情況下，矩陣可包括電絕緣材料，諸如由GeSe2、 GeSe、 GeS2 或GeS構(gòu)成的組中的一種材料。因此，這些在化學(xué)上親近且因此兼 容的材料的組合可有利于獲得具有長使用壽命的電子器件。
多個島狀物可具有小于20nm的尺寸，尤其是小于10nm，更尤 其是小于5nm。因此，可實現(xiàn)極小的島狀物且因此形成具有髙電阻率 的滲流路徑，而無需沉積和蝕刻方法，這是由于當延伸到20nm及以 下時這些方法會遇到問題。相反，自組織處理可被用于使島狀物在矩 陣內(nèi)分布，尤其是被用于將矩陣材料和島狀物材料的多個相位分開。 這些島狀物可具有3D結(jié)構(gòu)，該3D結(jié)構(gòu)可類似于珠狀或球狀，但是 也可具有較低級的幾何度。連續(xù)路徑的相鄰島狀物的表面積可以與另 一個島狀物直接物理接觸，從而形成不中斷的路徑。
所述多個島狀物的分子數(shù)(或者濃度、體積百分比、或者重量 百分比)可以小于矩陣的分子數(shù)(或者濃度、體積百分比、或者重量 百分比)，尤其是可以小到小于矩陣的分子數(shù)四分之一。通過調(diào)整矩 陣材料和島狀物材料的相對濃度，可精確地調(diào)整導(dǎo)電率和自組織特 性。
電子器件可包括第一電極(或者電端子)和第二電極(或者電 端子)，其中，滲流路徑可將第一電極和第二電極連接或橋接起來。 因此，在第一電極和第二電極之間，可施加用于加熱島狀物(例如， 用于觸發(fā)相變)的加熱電流，并且還可通過電極施加用于檢測島狀物 的當前狀態(tài)的采樣電流。為了加熱，還可使用諸如加熱器之類的分立 的元件，該分立的元件熱耦接到島狀物并且可有效地將熱量(例如， 焦耳熱)傳遞到島狀物?？蛇x地，電磁輻射可被用于加熱島狀物。電子器件可包括電耦接到相變結(jié)構(gòu)的開關(guān)，尤其是場效應(yīng)晶體 管或二極管。在這樣的結(jié)構(gòu)中，場效應(yīng)晶體管可用作允許訪問相變結(jié)
構(gòu)或者復(fù)制這種訪問的開關(guān)。這樣的結(jié)構(gòu)可適合于存儲器陣列，所述 存儲器陣列包括多個存儲單元，允許使用這樣的選擇晶體管來控制每
一獨立的存儲單元。
可將電子裝置用作存儲裝置。在這樣的存儲裝置中，可以在相 變材料的當前相位下存儲一位或多位信息，具體地取決于相變結(jié)構(gòu)的 兩個或多個相位狀態(tài)中的當前相位狀態(tài)。
電子裝置還可被用作存儲器陣列，即，(大量)多個前述類型 的存儲裝置的結(jié)構(gòu)。在這樣的存儲器陣列中，可以以X-Y類矩陣的 方式來布置存儲單元，并且可通過具有用作開關(guān)的晶體管的位線和字 線來控制存儲單元以進行或防止對期望的獨立的存儲單元和存儲裝 置進行訪問。多個存儲單元可以以單片電路的方式集成在普通(例如， 硅)基片上。
電子器件還可用作致動器，這是因為相變結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率的改變 可導(dǎo)致致動信號的改變。
還可將電子器件用作微電子機械結(jié)構(gòu)(MEMS)。由島狀物的 相變改變的電子信號可導(dǎo)致微電子機械結(jié)構(gòu)(MEMS)的可移動器件 的特定移動。
對于任一方法步驟，可實現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)中已知的傳統(tǒng)過程。形 成層或器件的過程可包括諸如CVD (化學(xué)氣相沉積)、PECVD (等 離子體增強化學(xué)氣相沉積)、ALD (原子層沉積)、或濺射之類的沉 積技術(shù)。移除層或器件的過程可包括類似于濕法蝕刻、汽相蝕刻等的 蝕刻技術(shù)、以及類似于光刻、UV光刻、電子束光刻等的形成圖案的 技術(shù)。
本發(fā)明的實施例不限于特定材料，因此可使用眾多不同的材料。 對于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，可使用金屬化結(jié)構(gòu)、硅化物結(jié)構(gòu)或多晶硅結(jié)構(gòu)。對于 半導(dǎo)體區(qū)或器件，可使用結(jié)晶硅。對于絕緣部分，可使用硅氧化物或 硅氮化物。
該結(jié)構(gòu)可形成在純結(jié)晶硅晶片上或SOI晶片(絕緣體上硅結(jié)構(gòu))上。
可以實現(xiàn)類似CMOS、 BOPOLAR以及BICMOS的任意工藝技術(shù)。
本發(fā)明的以上限定的方面和其它方面通過以下描述的實施例的 例子而變得明顯，并且參照這些實施例的例子進行說明。


以下將參照實施例的例子來更詳細地描述本發(fā)明，但本發(fā)明不 限于此。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電子存儲單元裝置。 圖2示出了在相變薄膜為20nm并且脈沖持續(xù)時間為50ns的情
況下的復(fù)位電流與相變線單元的寬度的關(guān)系。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在制造由作為沉積材
料的同質(zhì)材料形成的相變線的過程中獲得的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在進行退火處理和偏
析之后制造圖3的相變線的過程中所獲得的結(jié)構(gòu)的剖面圖。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的電子器件。 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的電子器件。
具體實施例方式
附圖中的內(nèi)容是示意性的。在不同的附圖中，相似的或相同的 元件以相同的標號表示。
以下將參照圖1來說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的存儲單元
100。
存儲單元IOO包括相變薄膜101，相變薄膜101由單一的(準確 地說是一種)電絕緣材料制成的矩陣102和嵌入到矩陣102中的一些 相變材料島狀物103構(gòu)成，相變薄膜101包括單一的(準確地說是一 種)相變材料，該相變材料可在具有不同的電特性的結(jié)晶相和非晶相 之間轉(zhuǎn)換。如可從圖1看到，在相變線單元101的中央部分中，多個 島103狀物形成了連續(xù)(滲流)路徑104，該路徑允許電流在第一電
14極105和電耦接到第二電極107的導(dǎo)電空間窄接觸元件106之間傳 導(dǎo)。
然而，底電極107的接觸區(qū)域106應(yīng)該足夠小以使只連接少量 從頂電極105到底電極107的滲流路徑104，理想地只連接一個滲流 路徑104。
島狀物103的導(dǎo)電率，尤其是島狀物103所形成的滲流路徑104 的導(dǎo)電率，取決于可通過在電極105和107之間施加電流信號進而施 加設(shè)置脈沖和復(fù)位脈沖而改變的滲流路徑104的實際相位狀態(tài)，可在 控制單元120 (諸如中央處理單元、CPU或微處理器)的控制下來在 電極105和107之間施加電流信號。
通過這樣的電流脈沖或電流信號，在滲流路徑104內(nèi)產(chǎn)生熱量， 從而改變滲流路徑104的相位狀態(tài)，并且因此改變相變材料的導(dǎo)電率 的值。所施加的電流脈沖可具有某種波形(例如，可具有快速上升的 邊沿和緩慢下降的邊沿，或者可具有向右彎曲的上升邊沿和向左彎曲 的下降邊沿)，并且其特征是可由不同的參數(shù)(諸如電流幅度，脈沖 持續(xù)時間等)表征。通過調(diào)整所述脈沖參數(shù)，可控制是將相變材料 103轉(zhuǎn)換為結(jié)晶相還是轉(zhuǎn)換為非晶相。非常高的溫度快速冷卻會導(dǎo)致 非晶相。溫度少量升高或緩慢下降可導(dǎo)致結(jié)晶相。
通過采取該措施，可將一位存儲在存儲單元100中，可將該位 編碼為與邏輯值"1"和"0"相對應(yīng)的"高"或"低"的電阻值，反 之亦然。當在電極105和107之間施加感測電流時，可檢測到存儲單 元100的實際狀態(tài)。
島狀物103由Sb2Te或慘雜的Sb2Te材料形成，并且具有10nm 或更小的數(shù)量級的(線性的)尺寸"d"。電絕緣矩陣102由GeSe 構(gòu)成。
以下，參照圖2,將基于已經(jīng)由發(fā)明人開發(fā)出的本發(fā)明的實施例 來說明發(fā)明人的想法。
圖2示出了具有橫坐標201的曲線圖200，沿著橫坐標201以納 米為單位繪出了相變線單元的寬度"w"(見圖5)。沿著縱坐標202， 以毫安為單位繪出了編程電流。因此，圖2示出了復(fù)位電流與相變線單元寬度的關(guān)系。因此，圖2示出了與20nm厚的相變線成比例的復(fù) 位電流，作為相變線單元寬度的函數(shù)。所述線具有四倍于其寬度的長 度。第一曲線204示出了測得的數(shù)據(jù)；而第二曲線205和第三曲線 206分別表示環(huán)繞有氧化物的線的電熱模擬，所述氧化物具有 1.4W/mK禾tl 0.3W/mK的導(dǎo)熱率。
用于將相變線單元從其結(jié)晶相狀態(tài)(設(shè)置狀態(tài))編程為其非晶 相狀態(tài)(復(fù)位狀態(tài))的復(fù)位電流的幅度對于縮小存儲單元的尺寸是一 個限制因素。己針對由摻雜的Sb2Te相變材料(見WO 2004/057684) 制成的相變RAM線測量和模擬了復(fù)位電流，慘雜的Sb2Te相變材料 具有大約為210pQcm的電阻率。相變RAM線具有20nm的厚度和從 25nm直到200nm的可變寬度。
因此，圖2所示的結(jié)果表示，即使對于環(huán)繞的具有0.3W/mK的 導(dǎo)熱率的氧化物，復(fù)位電流也將不會變得低于50nm寬的線的復(fù)位電 流0.43mA。這可限制相變線單元存儲器作為閃存替換或多次可編程 (MTP)存儲器的競爭者的適用性。對于這兩種應(yīng)用，復(fù)位電流將小 于300pA。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，可通過提髙線電阻R并將總的編
程功率P:PR保持在相同的大小來減小復(fù)位電流I。因此，根據(jù)關(guān)系
P=I2R，復(fù)位電流I將隨著線電阻R的平方根提高而降低。
難度在于提高相變材料的電阻率而不影響與相變材料有關(guān)的所 有其它重要的相變RAM特性，例如結(jié)晶速度、閾值電場、循環(huán)擦寫 性能和數(shù)據(jù)保持性。例如，通過摻雜，防摻雜或增大電帶隙來降低載 流子濃度也可能影響閾值電壓。另外，通過將薄膜厚度降低到20nm 以下來提高線電阻可能導(dǎo)致對接觸電極具有較差的階梯覆蓋的缺點， 并且可能導(dǎo)致可靠性和循環(huán)擦寫性能的下降。
通過本發(fā)明的示例性實施例來提供提高電阻率而不危及相變材 料的其它特性的優(yōu)選方案，并且該優(yōu)選方案基于制造這樣的線單元， 所述線單元由嵌入到絕緣材料所制成的矩陣中的相變材料所制成的 小島狀物構(gòu)成。這將僅影響線電阻，而使得相變材料的總成分保持完 整，并且不需要沉積超薄薄膜(5nm或更薄)。流經(jīng)導(dǎo)電的相變島狀物的電流的滲流路徑可確定所得到的線電阻。也可通過該方案獲得其
它優(yōu)點。即，多晶相變顆粒的大小可從大約50nm下降到島狀物的尺 寸，所述島狀物的尺寸可能比其薄膜厚度(例如，大約20nm)小很 多(例如，10nm或更小)。這可導(dǎo)致在存儲器陣列的復(fù)位電流中較 小的分布。而且，當可將線沿著滲流路徑分割為一系列高低電阻部分 時，可降低閾值電壓。注意，閾值電壓隨著非晶相標記的大小或長度 線性縮放。因此，較小的PC線、滲流路徑或顆粒將導(dǎo)致較低的閾值 電壓。
基于分割為兩種穩(wěn)定的成分(即，第一成分和第二成分)而進 行的自組織處理可制造相變材料的導(dǎo)電島狀物的矩陣。 一種成分(例 如，第一成分)是Sb2Te、 GeTe或Sb2Te3相變成分。另一種成分(第 一成分)是諸如GeSe2、 GeSe、 GeS2或GeS之類的絕緣體的選擇。 選擇這些絕緣體的原因是，它們與GeSbTe材料在化學(xué)上親近，但是 它們的形成會產(chǎn)生很大的熱量，因此原子元素將具有較大的驅(qū)動力來 形成彼此的聯(lián)結(jié)。
材料形成時發(fā)出的熱量
GeS-76.1 kJ/mol
GeS2-156.9 kJ/mol
GeSe-69 kJ/mol
GeSe2-113 kJ/mol
GeTe-48.5 kJ/mol
GeTe2不存在
Sb2Te3-56.5 kJ/mol
Sb2Se3-127.6 kJ/mol
Sb2S3-205 kJ/mol
表1:幾種硫化物、硒化物和碲化物形成時發(fā)出的熱量，來自
K.C. Mills Thermodynamic data for Inorganic Sulphides, Selenides and Tellurides, Butherworth and Co. (Publishers) Ltd., 1974。
17GeSe2、 GeSe、 GeS2或GeS成分的每一個硫或硒原子形成時發(fā)出的熱量比GeTe、 Sb2Te3、 Sb2Se3或Sb2S3成分中的每一個硫或硒原子形成時發(fā)出的熱量大很多。因此，不希望限制到特定理論，當前我們相信成分為(Q)x(Y)"x(其中，Q^GST 225, GST 124， GST 147或"摻雜的"Sb2丁e材料(見WO 2004/057684) }并且Y={GeS2， GeS， GeSe2，GeSe》以及x<0.5)的濺射薄膜將偏析為這樣的薄膜，該薄膜將具有嵌入到由成分Y構(gòu)成的絕緣矩陣中的由成分Q構(gòu)成的島狀物。
這在圖3和圖4中被示意性地示出。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的相變線單元的預(yù)制體
300。
預(yù)制體3 00示出了 "作為沉積的"結(jié)構(gòu)的同質(zhì)材料中的(Q)x(Y), .x相變線的剖面圖。
在對材料進行退火和偏析之后，獲得了圖4的相變線單元400(其中相位102和103被分開)，其具有薄膜厚度"h"和寬度"w"。
通過例如在0.1至0.5的范圍內(nèi)調(diào)整變量x，線400的電阻可在x=l時被調(diào)為原始相變線的電阻的1至20倍。理想地，線電阻應(yīng)該在兩(2) kQ和十(10) kQ之間。例如，這將會使得復(fù)位電流從圖2中的50nm線寬情況下的大約0.6mA (R=400Q)降低到0.2mA(R=3.6kQ)。體積具有寬度w、高度h和長度L的在最初光刻時形成圖案的相變線的"有效電阻率"因此會從21(HiQcm提高到大約2000(=9*210) ^Qcm。那么，相變材料Q的島狀物尺寸的平均直徑將會等于或小于薄膜厚度h?？赏ㄟ^使用不同的退火溫度和退火持續(xù)時間來控制聚集直徑大小。
圖5示出了具有偏析的(Q、(Y)k材料的相變線500 (長度L，寬度w)的俯視圖。曲折的線104表示由相變材料Q所構(gòu)成的島狀物103的滲流路徑。
圖6示出了具有偏析的(Q)"Y)k材料的相變線600 (長度L，寬度w)的俯視圖。通過偏析形成的薄層103每一個都表示相變材料Q所構(gòu)成的滲流路徑。
最后，應(yīng)該注意，上述實施例是說明而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠在不脫離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范 圍的情況下設(shè)計出很多替代實施例。在權(quán)利要求中，括號內(nèi)的任何標 記不應(yīng)該被理解為限制權(quán)利要求。詞語"包括"和"包含"等不排除 存在作為一個整體的任何權(quán)利要求或說明書中所列出的元件或步驟 之外的其他元件或步驟的存在。元件的單個標號不排除多個這樣的元 件的存在，反之亦然。在列舉了幾個裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝 置中的幾個可通過同一軟件或硬件來實現(xiàn)。在互不相同的從屬權(quán)利要 求中引用某些措施不表示這些措施的組合不能被用來獲得益處。
19
權(quán)利要求
1.一種電子器件(100)，該電子器件(100)包括矩陣(102)；嵌入到所述矩陣(102)中的多個島狀物(103)，所述島狀物包括能夠在至少兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的材料，所述至少兩個狀態(tài)的特征在于具有不同的電特性，其中，所述多個島狀物(103)在所述矩陣(102)中形成了連續(xù)路徑(104)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島狀 物(103)形成了熱變結(jié)構(gòu)，尤其是形成了能夠在至少兩個相位狀態(tài) 之間轉(zhuǎn)換的相變結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島狀 物(103)的材料在至少兩個狀態(tài)中的至少一個狀態(tài)下是導(dǎo)電的。
4. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述不同的 電特性是由所述多個島狀物(103)的或包括所述多個島狀物(103) 的部件的不同的導(dǎo)電率值、不同的介電常數(shù)值、不同的導(dǎo)磁率值、不 同的電容值和不同的電感值所構(gòu)成的組中的至少一個。
5. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，包括電驅(qū)動和感測 電路，其被用于驅(qū)動和感測處于所述至少兩個狀態(tài)中的各不同狀態(tài)下 的所述多個島狀物(103)的不同電特性。
6. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，調(diào)整所述多 個島狀物(103)，從而使所述至少兩個狀態(tài)之一與所述多個島狀物(103)的材料的結(jié)晶相相關(guān)，并且使所述至少兩個狀態(tài)中的另一個 狀態(tài)與所述多個島狀物(103)的材料的非晶相相關(guān)。
7. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島狀物(103)在所述至少兩個狀態(tài)中的至少一個狀態(tài)下在所述矩陣 (102)中形成了連續(xù)導(dǎo)電路徑(104)。
8. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島 狀物(103)包括由Sb2Te、摻雜的Sb2Te、 GeTe、 Sb2Te3、禾卩GeTe 與Sb2Te3的任何線性組合所構(gòu)成的組中的材料，尤其是GST 124、 GST 225禾卩GST 147。
9. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島 狀物(103)具有小于20nm的尺寸，尤其是具有小于10nm的尺寸， 更具體地講具有小于5nm的尺寸。
10. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(IOO)，其中，所述矩陣(102) 包括電絕緣材料。
11. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(IOO)，其中，所述矩陣(102) 包括電絕緣材料，所述電絕緣材料具有大于處于結(jié)晶相狀態(tài)下的連續(xù) 路徑(104)的電阻值的電阻值，和/或大于處于結(jié)晶相狀態(tài)下的連續(xù) 路徑(104)的電阻率值的電阻率值。
12. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(IOO)，其中，所述矩陣(102) 包括電絕緣材料，所述電絕緣材料具有大于處于非晶相狀態(tài)下的連續(xù)路徑(104)的電阻值的電阻值，禾n/或大于處于非晶相狀態(tài)下的連續(xù)路徑(104)的電阻率值的電阻率值。
13. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(IOO)，其中，所述矩陣(102) 包括由GeSe2、 GeSe、 GeS2和GeS所構(gòu)成的組中的材料。
14. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，其中，所述多個島 狀物(103)的分子數(shù)小于所述矩陣(102)的分子數(shù)，尤其是直到小 于所述矩陣(102)的分子數(shù)的五分之一。
15. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，包括第一電極(105) 和第二電極(107)，所述連續(xù)路徑(104)連接在所述第一電極(105) 和所述第二電極(107)之間。
16. 如權(quán)利要求1所述的電子器件(100)，被用作由存儲裝置、 存儲器陣列、增益控制器、致動器、微電子機械結(jié)構(gòu)、控制器和開關(guān) 所構(gòu)成的組中的一個。
17. —種形成電子器件(100)的方法，該方法包括 將多個島狀物(103)嵌入到矩陣(102)中，所述島狀物(103)包括能夠在至少兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的材料，所述至少兩個狀態(tài)的特征 在于具有不同的電特性；在所述矩陣(102)中形成由所述多個島狀物(103)構(gòu)成的連 續(xù)路徑(104)。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述連續(xù)路徑(104) 通過自組織處理來形成。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過對所述多個島狀物 (103)的材料與所述矩陣(102)的材料的混合物進行熱退火來形成所述連續(xù)路徑(104)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過將所述混合物熱退 火到至少25(TC的溫度來形成所述連續(xù)路徑(104)。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過將所述混合物熱退火持續(xù)至少1秒的時間來形成所述連續(xù)路徑(104)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電子器件(100)，該電子器件(100)包括矩陣(102)和嵌入到所述矩陣(102)中的多個島狀物(103)，所述島狀物包括能夠在至少兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的材料，所述至少兩個狀態(tài)的特征在于具有不同的電特性，其中，所述多個島狀物(103)在所述矩陣(102)中形成了連續(xù)路徑(104)。
文檔編號H01L45/00GK101663771SQ200880012672
公開日2010年3月3日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者弗里索·雅各布斯·耶德馬 申請人:Nxp股份有限公司