專利名稱：：用于珀耳帖控制的相變存儲器的方法和結構的制作方法
技術領域：
：本發明一般涉及存儲器和存儲單元，尤其涉及非易失性存儲器或存儲單元。更特別地，當僅相變材料(PCM)的薄層被用于存儲存儲單元的信息狀態時，珀耳帖元件同時對PCM元件提供加熱和冷卻，以大大改善速度和可控性。
背景技術：
：作為存儲器的最廣泛使用的形式，動態隨機存取存儲器(DRAM)具有大量的已知的缺點。首先，存儲器是易失性的，這意味著它在計算機或設備斷電時會丟失數據。第二，它相對較慢。第三，希望大大減小存儲器"覆蓋區(footprint)，，(例如，存儲單元的物理尺寸)。這些缺點導致希望提出新型的非易失性存儲器、相變存儲器或PRAM。可以在晶體或非晶相狀態中共存的相變材料(PCM)當前是商業光學CD-RW盤技術以及新提出的PRAM的基礎。在CD-RW中，盤上的位斑(bit-spot)可處于兩種相狀態中的任一種中。如圖l所示，由外來激光加熱完成的熱循環使兩種狀態100相互轉變。非晶到晶體轉變涉及低于熔點的退火("設置"過程)，而晶體到非晶轉變涉及熔融和之后的快速淬火("復位"過程)。通過利用兩種相的不同的光學反射性讀取各個斑點。所有的當前的PRAM設計(這里稱為"常規的，，)都是源于基于具有高電阻的非晶狀態和低電阻的晶體狀態的一般簡稱為GST的三元PCM成分GeSbTe(鍺銻碲)的概念。一般使用的GST是Ge2Sb2Te5(以下，稱為"GST225")。為了從導電狀態轉變為電阻狀態，使電流通過PCM,通過內部焦耳加熱將其熔化，然后泮火到電阻狀態。從電阻狀態轉變成導電狀態包含首先將PCM驅動到電擊穿，然后通過電流以退火到導電狀態。讀取過程利用容易分辨的兩種狀態的不同的電阻率。但是，由于電擊穿過程是非線性的并且不容易被控制，因此仍需要改善PRAM設計。并且，當前的PRAM太慢因此不能與DRAM有效竟爭。另外，鑒于以上指出的DRAM的缺點，PRAM設計的改善理想地另外針對這些缺點中的一個或更多個，由此使得PRAM能在至少一些應用中成功地與DRAM竟爭。
發明內容鑒于常規系統的以上和其它示例性問題、缺點和不利之處，本發明的示例性特征是提供改進的PRAM存儲單元。本發明的另一示例性特征是提供可通過設置用于更迅速地從用于在單元中放置(例如，存儲)信息的加熱循環轉變的冷卻元件，將信息更迅速地放置(例如，存儲)到PRAM存儲單元中的技術。為了實現上述示例性特征和其它特征，在本發明的第一示例性方面中，這里說明一種存儲單元，該存儲單元包括存儲信息位的相變材料(PCM)元件；用于改變信息位的PCM元件外部的加熱元件；和用于增大改變信息位的速度的冷卻元件。在本發明的第二示例性方面中，這里還說明了一種包括非易失性存儲器陣列的裝置。該非易失性存儲器陣列包含以行和列的陣列配置的多個存儲單元；用于各行的字線，該字線與行中的各存儲單元連接；用于各列的位線，該位線與列中的各存儲單元連接；和各位線中的感測放大器。存儲單元中的至少一個包含相變材料(PCM)元件；和PCM元件外部的加熱/冷卻元件。在本發明的第三示例性方面中，這里還說明了一種用于增大相變材料PCM隨機存取存儲器(PRAM)的速度的方法，該方法包括設置冷卻元件，以在PCM材料被加熱以改變PRAM存儲單元中的信息位后加速冷卻過程。在本發明的第四示例性方面中，這里還說明了一種形成非易失性存儲單元的方法，該方法包括在襯底上形成加熱/冷卻元件；和在加熱/冷卻元件附近形成相變材料(PCM)的一部分。在本發明的第五示例性方面中，這里還說明了一種存儲單元，該存儲單元包括存儲信息位的相變材料(PCM)元件；和位于PCM元件的表面附近的珀耳帖器件。珀耳帖器件用于選擇性地加熱/冷卻PCM元件的表面。信息位被存儲在PCM元件內鄰近最接近珀耳帖器件的表面的PCM層內，并且存儲信息位的PCM層的厚度在納米范圍內。因此，本發明提供改進的PRAM存儲單元，其中，冷卻元件通過減少用于在非晶和晶體狀態之間轉換的時間量增大用于建立信息位的開關速度，由此提供與常規的PRAM器件相比得到改進的性能、速度和尺寸，并給出作為存儲類存儲器大有前途的有利的新技術。并且，諸如由本發明教導的高性能PRAM適于用作被嵌入邏輯芯片環境中的局部非易失性存儲器。在該應用中，在運行中斷后，系統的原樣的邏輯狀態可被恢復，由此使得能夠提供中斷任務的無縫連續性，這是DRAM沒有提供的優點。第二應用是諸如便攜式計算機(例如，諸如膝上型計算機)、移動電話、便攜式音頻和/或視頻設備等的手持器件，這里，非易失性和高密度性能的PRAM使得能夠代替光盤，由此提高消費者高度希望緊湊性的這些類型的器件的附加的小型化。參照附圖閱讀本發明的示例性實施例的詳細說明，將更好地理解以上和其它示例性特征、方面和優點，在這些附圖中，圖1示出可能在常規的光學CD-RW盤技術中使用的用于相變材料的設置和復位過程的熱循環100;圖2示例性地示出本發明的示例性實施例的結構200的斷面圖；圖3示出使用珀耳帖加熱器/冷卻器和FET開關的示例性存儲單元配置300;圖4示出GST元件內5nm深度上的冷卻循環曲線400;圖5示例性地示出使用珀耳帖加熱器/冷卻器元件的3x3存儲器陣列500。具體實施例方式現在參照附圖、特別是參照圖25說明本發明的示例性實施例。基于新材料成分的PRAM目前正在被研究，該新材料成分諸如在兩種狀態(例如，非晶和晶體)下均具有低兩個數量級的電阻率的二元GeSb。但是，由于晶體狀態中的PCM的低電阻不方便地需要較高的電流用于方便的內部焦耳加熱，同時非晶狀態對于電擊穿來說導電性太好，因此這些新成分不適于內部焦耳加熱/電擊穿方案。通過性能與PCM狀態無關的外部元件的加熱為這些材料提供全新的方案，從而4吏PRAM在概念上更接近CD-RW。并且，在可再現性和可分析性方面存在優點，包括可理解的擴縮，將外部加熱器方案應用于三元PCM材料。IBM案件號YOR920020277US1、HendrikF.Hamann等人的、發明名稱為"THERMALMEMORYCELLANDMEMORYDEVICEINCLUDINGTHETHERMALMEMORYCELL"、在2003年3月31日提交的第一共同未決申請美國專利申請No.10/401564說明了PRAM中的外部加熱器的一種配置。IBM案件號YOR920050036US1、Krusin-Elbaum等人的、發明名稱為"METHODANDSTRUCTUREFORHIGHPERFORMANCEPHASECHANGEMEMORY"、在_提交的第二共同未決申請美國專利申請No.10/_通過說明對于PRAM器件如何僅通過使用接近存儲單元的信息存儲的外部加熱器的較薄的PCM層允許大大提高PRAM器件的開關速度、提供使用用于PRAM的外部加熱器的該基本概念的擴展。因此，注意，在閱讀這里說明的細節和上述三個共同未決的申請中的第一個和第二個后，本領域技術人員能夠很容易地認識到本發明是如何相關的。更具體地，如上所述，這三個共同未決的申請中的第一個將外部加熱器概念引入PRAM。第二共同未決的申請引入在5~10納米或更小的范圍內僅使用非常薄的表面層以存儲存儲單元的信息位的PCM元件的概念。本發明可被視為第二共同未決的申請的向具有外部加熱元件的薄層PCM增加冷卻能力的特殊的和非顯而易見的實施例。另外，進一步針對本發明，本發明的發明人認識到，如果除了加熱以外還可通過外部元件提供冷卻以提高淬火(復位)過程，那么可保證可望速度更高的可控性更好的相變過程。更快的結晶的時間段中的可操作性從而是可能的，從而還加速退火(設置)過程。這種認識使本發明的發明人認識到將外部加熱器的概念擴展到以珀耳帖加熱器/冷卻器器件體現的外部加熱器/冷卻器的概念的可能性。因此，本發明給出新型的PRAM存儲單元，其中，相變同時通過PCM外部的珀耳帖加熱器/冷卻器元件的加熱能力和冷卻能力被控制。因此，珀耳帖加熱器/冷卻器元件利用加熱和冷卻能力通過適當的熱循環實現設置和復位過程。由于其外部加熱器元件，因此，在本發明中，當通過確定PCM元件的電阻率確定存儲單元的信息內容時，電流僅在讀取過程中流過PCM元件。在本發明的珀耳帖器件用作用于PCM元件的外部加熱器的設計中，電流一個感測中流過珀耳帖器件以為PCM元件的設置狀態和復位的初始階段提供熱量，但是電流感測在復位的淬火階段中被反向以為PCM元件提供冷卻，由此加速淬火。本發明的第二關鍵方面是使用與器件的速度極其相關的較小的尺寸。即，通過加入膜厚度，本發明對于較小的尺寸、包含直接與提高操作速度有關的尺寸是高度可控的。因此，由于使用的外部加熱器和薄層，因此這里討論的示例性該二計提供大量的優點，包括一由于沒有非線性電擊穿過程的可再現性；-由于歐姆導電和簡單的幾何結構的可分析性；-由于熱循環與PCM電阻率無關，因此可應用于范圍廣泛的PCM成分；-由于加熱和冷卻兩過程的獨立控制，因此對相變過程的控制度較高；-加熱功率的電流是線性，從而在低電流下提供更多的功率；并且-與速度極其相關的器件的較小的尺寸是薄膜厚度，因此很容易精確地制造為較低值。單個單元的說明和功能如圖2所示，本發明的示例性存儲單元配置200包含夾在兩個金屬電極202、203之間的GST元件201。連接兩個熱電材料A204(具有正的熱電勢(thermopower))和B205(具有負的熱電勢)的稱為"珀耳帖帶"的一個電極202構成用于GST元件201的外部珀耳帖加熱器/冷卻器。珀耳帖電極A與FET開關漏極206A連接，而B電極被接地206B。附著到GST元件201上的另一電極203與感測線207連接。器件200在圖2中被示例性地示為被構建到硅襯底209上的Si02層208的頂部上。但是，只要下面討論的熱路不受影響，其它絕緣體(氧化物或氮化物)可被使用。雖然圖2沒有示出，但圖3中示例性地示出的存儲單元配置300示出FET301的源極302與位線303連接，而柵極304與字線305連接。PRAM中的功能涉及三個過程，包含兩個"寫"過程設置和復位和感測(例如"讀")過程。所有的功能涉及通過FET柵極啟用特定的字線305。復位步驟熔化圖2中的稱為"可轉變層GST"的接近珀耳帖電極202的GST的薄層210。通過從A流向B的電流(例如，來自FET206和位線303)實現這種熔化，然后是快速淬火為高電阻非晶狀態。通過從B流向A的反向電流(例如，進入FET206A和位線303中)實現淬火，這樣實現可轉變GST層210的珀耳帖冷卻。在該過程中，感測線被開路，由此保證沒有電流流過GST材料201。設置步驟包含非晶可轉變GST層210退火為低電阻晶體狀態，通過珀耳帖加熱(電流從A流向B)到比熔化所需的溫度低的溫度但時間更長，實現這種退火。同樣，在該過程中，感測線207被開路，使得沒有電流流過可轉變GST層210。感測步驟包含通過以位線303作為電壓源用感測放大器探詢可轉變GST層210的電阻確定其非晶或晶體狀態。在該過程中，感測線207在電路中。物理實現和材料方面圖2示出單元的存儲器部分的示例性物理實現。諸如SK)2的熱和電絕緣的層208以約200400nm的厚度4皮淀積到珪襯底209上。該層被構圖以獲得在其中淀積接觸金屬層M1(例如，金屬層l)211的溝槽，然后淀積熱電元件A和B204、205(膜厚為約100~200nm)以形成珀耳帖加熱器/冷卻器組件。在該層的平整化后，形成珀耳帖帶202的金屬層M2被構圖以接觸元件A和B。M2層的厚度為約10nm,并且材料的一種選擇是TiN。優選地，熱電材料A和B的選擇基于1.材料優選應具有較高的珀耳帖系數(對A為正，對于B為負)；2.A或B元件的被定義為zr-^的熱電效率因子應優選為階次為1或更大，這里，n是珀耳帖系數，cj是電導率，并且K是熱導率；并且，3.材料優選保持該較高的熱電效率，直到GST的熔化溫度。滿足這些條件的可能的材料包含1.對于材料A，為堿土金屬填充的成分為AT4SBu的方鈷礦，這里，A-Ca、Sr、Ba，并且，T-Fe、Ru。附加的選擇是方鈷礦IrSb3、HfTe5、ZrTe5。另一選擇是AT4X12，這里，成分材料包含A-La、Ce、Pr、Ne或Eu;T=Fe、Ru或Os;并且，X=P、As或Sb。2.對于材料B，一種選擇是半Heusler(哈斯勒)合金MNiSn，這里，M-Zn、Hf、Ti。這些材料具有極大的負的熱電勢、良好的熱電效率因子ZT，并在700K下操作。并且，可通過摻雜調整它們的性能。另一類最近的材料是成分為AgPbmSbTe2+m的立方硫族化物。這些后面的材料可特別與GST元件的處理兼容。下一步驟是LTO的淀積，該LTO隨后通過向下到M2(例如，金屬層弁2)水平的通孔被構圖，這些通孔填充有GST(厚約15mn)。最終的電接點203是到GST元件201頂端的M3金屬層。M2和/或M3可以是諸如W或TaN的高K材料。單元性能的技術估計由于氧化物208的相對于GST201的大得多的比熱-熱導率積，因此圖2和圖3所示的示例性配置的分析假定主要熱損失是通過氧化物208。由此，熱傳播與珀耳帖加熱/冷卻元件的平面正交的一維分析可被使用。從珀耳帖帶通過在特性上具有與Si02類似的低熱導率的熱電材料A和B的熱損失將與通過氧化物的類似。首先考慮表I中所示的材料參數。為了明確起見，考慮具有接近深入研究的225材料Ge2Sb2Tes的性能的GST材料。氧化物參數是Si02的參數。表I:比熱C"熱導率/T、電導率(T<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>*依賴于源**可由]\摻雜控制+平均++典型模型從而是溫度被視為x和時間t的函數的單邊lD模型。假定珀耳帖帶具有優良的熱導性，溫度被視為是均勻的，在帶內具有值rp(t)。氧化物內的溫度分布^L表示為0)。x(U)。在氧化物內，擴散方程適用這里，/^、d分別是氧化物熱導率和體積比熱。通過使用拉普拉斯變換^L術求解擴散方程，并在忽略與珀耳帖帶的熱平衡有關的快速瞬態的漸近的長時極限中說明結果。珀耳帖帶中的溫度T^可關于以下的被寫成，這里，^fV」是單位面積的輸入的加熱功率，^c"是單位面積的輸入的冷卻功率，并且^是面積。G是在復位中由冷卻循環代替加熱循環的時間。0(/)是階梯函數。給定珀耳帖帶中的溫度演變，GST中的溫度分布可通過使用函數g(jc，/)被確定3口下。這里，Z=x/V^，A-^/Cc是GST的擴散常數，Xg是GST相平均熱導率，Cc是GST比熱。這樣，GST中的溫度分布T^(a:，/)由下式給出爿爿圖4同時示出沒有珀耳帖冷卻401(『c-0)和具有珀耳帖冷卻402(『c-W//)的表面內距離x-;cG-5nm的GST內的溫度rG(jc，/)的時間演變的示圖400。參數被收集如下。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>從圖4可以看出，與關掉加熱循環相比，珀耳帖冷卻強烈增大淬火速率。對于225GST材料為420Jcm-3的結晶的潛熱(latentheat)，吸收將材料從室溫升高到熔點所需要的熱量的約1/2，這種效應應在熱平衡中被考慮，但是它引入比簡單的熱擴散更難以在分析上處理的非線性效應。忽略潛熱由此將精度限制到因子2的量級。設置處理時標(timescale)依賴于結晶前沿(front)從非晶和晶體相之間的界面行進到珀耳帖帶上的表面的時間。釆用A:^55nm和結晶前沿速度vco^=2m/sec，這會需要2.5ns。但是，結晶前沿速度關鍵依賴于溫度，因此，退火溫度越低，那么設置過程越慢。退火過程中的溫度依賴性和潛熱應被考慮。感測過程依賴于非晶和晶體GST相之間的相對較大的電阻率差異。當感測電流通過FET漏極,皮施加時，B的電流x電阻用作驅動電流穿過GST進入感測放大器的電壓源。對于電導率CT-1000hm"cnT1(表l)，厚度為15nm的225結晶材料具有600D的電阻，而對于串聯的非晶GST的薄(5nm)層，電阻會提高幾個數量級。這些數值敏感地依賴于GST成分、尺寸等，并因此優選被定制。存儲器陣列在圖5中示例性地示出3x3存儲器500。寫和讀過程需要啟用字線501。該行中的FET開關502然后被接通。對于設置和復位，感測放大器503被開路，并且適當的方向性的電流從位線504^皮施加，為了進行感測，現在利用電路中的感測放大器503,電流再一次從位線504被施加。感測放大器503僅當GST元件處于晶體狀態時才檢測到相當大的電流。實際上，存儲器的典型的塊尺寸為存儲器的1024x1024單元，而不是圖5中所示的3x3存儲器500。RC時間常數，存儲器帶寬為了計算時間常數，塊物理尺寸被估計為0.7xl(T2cm。在估計的2pF/cm的單位長度的引線電容下，引線電容處于1.4xlO"F的量級。由此，對于0.2mA的電流充電到IV，時間常數為0.7xl0-w秒。該時間常數足夠短，使得RC延遲不會大大影響電路操作。對于感測，RC時間常數導致0.8xl0"。秒的量級的延遲，但該延遲也不大。來自輔助電路(代碼/解碼等)的時間延遲與對于DRAM的時間延遲類似，即，相對較長。采用1024位字線，在同時讀/寫模式下，與64位信道接口，3納秒寫時間產生約5GHz的存儲器帶寬。熱預算對于施加的電壓K，用于單一寫步驟的熱量被估計如下，這里，t是寫時間，這里，采用K=lV，t-4ns。現在，向存儲器輸出64b/cycle即2xl0"b/sec的3GHz計算機將因此需要最大130mW的功率用于對存儲器寫入。即使這種最大的估計也是十分低的。對于讀的功率需求類似。輔助電路(代碼/解碼等)的功率需求與對于DRAM的功率需求類似。本發明的高性能PRAM適于用作嵌入邏輯芯片環境中的局部非易失性存儲器。在該應用中，在運行中斷后，系統的原樣的邏輯狀態可被恢復，由此使得能夠提供中斷任務的無縫連續性。第二應用是手持器件，這里，PRAM的非易失性和高密度性能使得其能夠代替光盤(CD)，由此提高小型化程度。雖然已鑒于示例性實施例說明了本發明，但本領域人員將認識到，在所附的權利要求的精神和范圍內，可以以變更方式實施本發明。并且應注意，申請人的意圖是要包含所有的權利要求要素的等同物，即使這些權利要求要素以后在執行中被修改。權利要求在由此說明了我們的發明后，我們要求并希望得到的文字上的專利如下1.一種存儲單元，包括用于存儲信息位的相變材料(PCM)元件；用于改變所述信息位的所述PCM元件外部的加熱元件；和用于增大改變所述信息位的速度的冷卻元件。1.一種存儲單元，包括用于存儲信息位的相變材料(PCM)元件；用于改變所述信息位的所述PCM元件外部的加熱元件；和用于增大改變所述信息位的速度的冷卻元件。2.根據權利要求l的存儲單元，其中，所述PCM元件包含PCM層，并且所述存儲單元的信息狀態由距離所述加熱元件預定距離的所述相變材料的一部分的結構狀態決定，所述結構狀態包含所述PCM的非晶狀態和所述PCM的晶體狀態中的一種。3.根據權利要求l的存儲單元，其中，所述PCM包含^L族化物玻璃。4.根據權利要求1的存儲單元，其中，所述PCM包含以下中的一種三元鍺銻碲(GeSbTe或GST)成分；和二元鍺銻(GeSb)成分。5.根據權利要求2的存儲單元，其中，所述部分包含薄層，所述薄層包含所述PCM的具有約5~10nm或更小的厚度的層。6.根據權利要求l的存儲單元，其中，所述PCM層包含芯片上的薄膜。7.根據權利要求1的存儲單元，其中，所迷加熱元件包含珀耳帖帶；和具有正的熱電勢特性的電極。8.根據權利要求1的存儲單元，其中，所述冷卻元件包含珀耳帖帶；和具有負的熱電勢特性的電極。9.根據權利要求l的存儲單元，其中，所述PCM元件與所述加熱元件和所述冷卻元件中的至少一個直接接觸。10.根據權利要求1的存儲單元，其中，所述加熱元件和所述冷卻元件中的至少一個被嵌入在熱絕緣的層中。11.根據權利要求l的存儲單元，還包括用于控制對所述存儲單元施加電壓的開關元件。12.根據權利要求1的存儲單元，其中，所述存儲單元包含以行和列的陣列配置以形成存儲器陣列的多個這種存儲單元中的一個，所述存儲器陣列還包括用于各所述行的字線，所述字線與所述行中的各存儲單元連接；用于各列的位線，所述位線與所述列中的各存儲單元連接；和各所述位線中的感測放大器。13.根據權利要求4的存儲單元，其中，所述GST成分包含Ge2Sb2Te5(GST225)。14.根據權利要求7的存儲單元，其中，所述珀耳帖帶包含TiN。15.根據權利要求7的存儲單元，其中，具有所述正的熱電勢特性的所述電極包含以下中的一種堿土金屬填充的方鈷礦，具有成分AT4Sb12，這里，A-Ca、Sr或Ba，并且，T-Fe或Ru;方鈷礦IrSb3、HfTes或ZrTes;和成分AT4X12，這里，A=La、Ce、Pr、Ne或Eu,T=Fe、Ru或Os，并且，X-P、As或Sb。16.根據權利要求8的存儲單元，其中，所述珀耳帖帶包含TiN。17.根據權利要求8的存儲單元，其中，具有所述負的熱電勢特性的所述電極包含以下中的一種半Heusler合金MNiSn，這里，M=Zn、Hf或Ti;和立方硫族化物，具有成分AgPbmSbTe2+m。18.根據權利要求11的存儲單元，其中，所述開關元件包含場效應晶體管(FET)。19.一種裝置，包括存儲器陣列，該存儲器陣列包含以行和列的陣列配置的多個存儲單元；用于至少一個所述行的字線，所述字線與所迷行中的至少一個存儲單元連接；用于至少一個所述列的位線，所述位線與所述列中的至少一個存儲單元連接；和各所述位線中的感測放大器，其中，所述存儲單元中的至少一個包含相變材料(PCM)元件；和所述PCM元件外部的加熱/冷卻元件。20.—種用于增大相變材料PCM隨機存取存儲器(PRAM)的速度的方法，所述方法包括設置冷卻元件，以在所述PCM材料被加熱以改變PRAM存儲單元中的信息位后加速冷卻過程。21.—種形成非易失性存儲單元的方法，所述方法包括在襯底上形成加熱/冷卻元件；和在所述加熱/冷卻元件附近形成相變材料(PCM)的一部分。22.—種存儲單元，包括用于存儲位信息的相變材料(PCM)元件；和位于所述PCM元件的表面附近的珀耳帖器件，所述珀耳帖器件所述表面，其中，所述信息位被存儲在所述PCM元件內鄰近所述珀耳帖器件附近的所述表面的PCM層內，存儲所述信息位的所述PCM層的厚度在納米范圍內。全文摘要存儲單元包含存儲信息位的相變材料(PCM)元件。PCM元件外部的加熱元件改變信息位。冷卻元件增大信息位改變的速度。冷卻元件優選為PCM元件的表面附近的用于加熱和冷卻所述表面的珀耳帖器件。文檔編號H01L45/00GK101171696SQ200680015365公開日2008年4月30日申請日期2006年1月13日優先權日2005年5月6日發明者丹尼斯·M.·紐恩斯,利亞·克魯辛-埃爾保姆申請人:國際商業機器公司