具有降低的最小电导状态的突出的存储器件的制作方法

1.本发明一般涉及相变存储器，更具体地，涉及实现降低的最小电导状态的存储器器件。


背景技术：

2.大学和工业研究一直在研究新材料和方法以增加半导体器件中的存储密度，同时降低每个存储信息的功耗。在此上下文中，对于多电平数据存储以及对于存储器内和神经形态计算硬件，可以在多个电导状态之间反向切换的诸如相变存储器和导电桥忆阻器的电阻式存储器器件变得越来越流行。
3.对于实现多电平、效率、漂移和噪声存在几个关键挑战。单元效率方面解决了以非常低的电流/功率消耗在各种电平下对器件进行编程和读取的能力。漂移和噪声方面解决了由于对电阻读出产生负面效应的固有材料物理特性而引起的漂移和噪声效应。
4.最近，这些挑战已经利用表示为突出的相变存储器的新的存储器单元概念来解决，其中相变材料被粘附到称为突出组件的电导材料。在突出的存储器单元中，电阻存储的物理机制基本上与信息检索过程解耦。读取电流可以绕过非晶化相变材料，由此它流过没有漂移、噪声较小并且电导性较高的突出材料。
5.尽管降低的漂移和读取噪声是非常有益的，但是器件概念也具有缺点。可以显著地增加器件的最小电导。在读出期间，器件动态范围可以减小，并且空闲器件(g-0)可以传递更多的电流。因此，在读出期间阵列能量效率可能减少，并且如果器件不能被编程到适当的off状态(g＝0)，则网络功能可能受损。


技术实现要素：

6.附加的方面和/或优点将在随后的描述中部分地阐述，并且部分地将从描述中变得明显，或者可以通过本发明的实践而获知。
7.根据本发明的一个方面，可以提供实现降低的最小电导状态的存储器器件。该器件可以包括第一电极、第二电极和在第一电极和第二电极之间的相变材料。因此，相变材料可以取决于相变材料的晶相和非晶相之间的比率来实现多个电导性状态。
8.存储器器件还可以包括在第一电极与第二电极之间的区中的突出层部分。因此，在存储器器件的复位状态下由非晶相中的相变材料直接覆盖的区域可以大于定向到相变材料的突出层部分的区域。这样，可以产生存储器器件的电导状态中的不连续性，并且可以实现存储器器件在复位状态下的降低的最小电导状态。
附图说明
9.从下面结合附图的描述中，本发明的某些示例性实施例的上述和其它方面、特征和优点将变得更加明显，其中：
10.图1示出了本发明的实现降低的最小电导状态的存储器器件的实施例的框图。
11.图2示出了如此处所提出的、与图案化的突出相比的、针对传统突出衬里的电导率图。
12.图3a展示突出的存储器器件的设计。
13.图3b是示出了取决于提供到相变存储器单元的电压的电流i的表。
14.图4示出了神经网络单元的交叉开关，其可以用作用于编程加权值的基础。
15.图5示出了在电介质层上的横向单元设计。
16.图6示出了作为另一实施例的相变存储器单元的受限设计。
17.图7a和7b示出了局部定界的突出层部分和具有掺杂剂梯度的突出层的并排比较。
18.图7c和图7d示出了与图7a和图7b有关的衬里的电阻。
19.图7e和图7f示出了与图7a和图7b有关的读取电流的不同特性。
具体实施方式
20.提供参考附图的以下描述以帮助全面理解如由权利要求书及其等效物所限定的本发明的示范性实施例。它包括各种具体细节以帮助理解，但是这些细节被认为仅仅是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文所述的实施例进行各种改变和修改。另外，为了清楚和简明，可以省略对公知功能和结构的描述。
21.在以下描述和权利要求书中使用的术语和词语不限于书目含义，而仅仅用于使能够清楚和一致地理解本发明。因此，对于本领域技术人员来说，显然本发明的示例性实施例的下列描述仅是为了说明的目的，并且不是为了限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明。
22.应当理解，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，除非上下文另外清楚地规定，否则提及“组件表面”包括提及这种表面的一个或多个表面。
23.在本说明书的上下文中，可以使用以下惯例、术语和/或表达。
24.术语
‘
存储器器件’在此处可以具体表示用于存储基于相变材料的一个或多个位的存储器单元。相变存储器(pcm)被称为一种非易失性随机存取存储器。它通常基于硫属化合物玻璃的独特性能。然而，其它材料也已经成功地使用。该效应基于pcm的晶相和非晶相之间的电导性的变化。相变可以由热量引起，例如由流过器件的电流引起。pcm也可以表示为忆阻器。它们不仅可以用作存储器元件，而且可以用作活动计算器件的基础。
25.术语
‘
最小电导状态’可以表示pcm单元的复位状态。如果pcm单元中的所有或大部分pcm材料处于非晶相，则电阻增加到针对pcm的可能的最高值。此状态可以表示相应pcm单元的具有最小电导的状态。
26.术语
‘
突出层部分’或换而言之
‘
衬里’可以表示或多或少电导的材料，其平行于pcm单元的相变材料定位，并且其在一个实施例中可以是特定的，即，与单元的两个电极中的一个电极接触的蘑菇型式。在其它实施例的情况下，特别是在横向和所限制的形式下，突出层部分不与任何电极接触。该突出层部分也可以表示为所限制的衬里或不跨越相变存储器的体积的整个长度的所限制的突出。
27.在突出的存储器单元中，突出层可以有助于将电阻存储的物理机制与信息检索过
程分离。读取电流绕过非晶相变材料，并且流过非漂移的、噪声较小和电导性较高的突出材料。与这里提出的所限制的突出或衬里的新概念相比，传统的突出的存储器单元也具有缺点。可以显著地增加器件的最小电导。因此，器件动态范围减小，并且复位器件(g约为0)在读出期间可以传递更多的电流。因此，在读出期间存储器单元功率效率可能降低，因为单元不能被编程到适当的off状态(g＝0)。
28.因此，在复位状态下可以仅覆盖相变材料的部分的突出层部分也可以被表示为在可能更大或非常低的电导层部分，即非突出部分内的
‘
所限制的突出’。因此，该突出层部分可以与非突出部分一起构成突出层。
29.术语
‘
非突出部分’可以表示相变存储器单元的突出层的部分，其具有比所限制的突出部分或衬里低得多的电导性。
30.术语
‘
复位状态’可以表示相变存储器单元的状态，其中电导性可以尽可能地低，即，尽可能多的相变材料可以在非晶相中。
31.术语
‘
电导状态的不连续性’可以表示相变存储器单元的电导状态。相反，在某点，如果非晶相中的相变材料覆盖比衬里或突出层部分的最大区域更大的区域，则可以在电流比电压线中观察到阶梯式增加/减少(取决于视角)。
32.所提出的实现降低的最小电导状态的存储器器件可以提供多个优点、贡献和技术效果：
33.对于存储器单元或存储器器件，由1/f引起的基本上较低的漂移和电导波动(f＝频率)。这是由于在存储器单元的复位状态下，大部分读取电流绕过了非晶体积的事实结果。
34.这种效应可以有利地被使用在忆阻单元的交叉式阵列中，因为复位单元的状态的绝对噪声水平与器件应用有关，例如在基于相变存储器的经典深度神经网络的神经形态计算、训练和推断中。出于若干原因，这些应用可以受益于低电导(g
min
)器件状态。深度神经网络中的许多权重是小的或接近于零。为了对这样的权重进行编码，低g
min
可能是必要的。
35.当g
min
过高时，差分配置中的两个器件必须被编程为相同的电导以表示零。将两个器件编程为完全相同的电导可能非常具有挑战性，并且因此该方法将导致零权重上的禁止性噪声，如果可以将器件编程为足够低的g
min
，那么完全避免零权重上的禁止性噪声。
36.附加地，如果小权重或接近零的权重可以由g
min
(复位)器件状态编码，则有关的深度神经网络的功耗可以被基本上降低，因为g
min
被减少了至少一个数量级。
37.对传统方法的改进还包括：通过将突出层或衬里限制到小活动体积(在复位器件时所产生的最大非晶体积)的区域，在可能与存储器器件的多级编程有关的中间电导范围中实现突出。然而，对于低电导状态g
min
，其被禁用。由此，可以针对中间和高电导状态实现漂移减轻。因此，基本上降低的g
min
可以实现较高动态范围，使得g
min
的漂移和噪声在存储器器件的所讨论(和其它)应用中可以变得不相关。
38.这样，可以实现突出的相变存储器单元的优点，但是也可以成功地避免缺点。
39.根据存储器器件的一个有利实施例，突出层部分可以覆盖第一电极和第二电极中的一个电极。这种设计通常可以被表示为
‘
蘑菇单元类型’。原因是，通常下电极穿过电介质，并且衬里或突出层部分可以位于下电极(即，底部电极)的顶部。非晶相变材料可以以半球形形式在衬里上扩展，使其看起来像(与下电极一起)蘑菇状。
40.根据存储器器件的实施例，第一电极和第二电极两者都可以与电介质层在以下区域中接触，在该区域中第一电极和第二电极不与相变材料接触，突出层部分可以在电介质层上横向延伸，并且突出层部分的、与突出层的不面对电介质材料的表面相反的表面可以与相变材料接触。这种相变存储器单元设计可以表示为
‘
横向单元设计’。
41.根据存储器器件的实施例，电介质层部分可以环绕(特定来说，仅部分地并且不从顶部电极到底部电极)相变材料。这种单元设计可以被限定为“所限制的”相变存储器单元设计。相变材料可以位于中间，并且它可以部分地被突出层部分包围，然后该突出层部分完全被电介质材料包裹。可以实现为顶部电极和底部电极的第一电极和第二电极可以与相变材料接触。因此，根据存储器器件的所改进的实施例，突出层部分可以位于相变材料周围，并且突出层部分可以被电介质材料包围。
42.根据存储器件的优选实施例，突出层部分可以包括ti
x
ny、ta
x
ny或者非晶碳。这些材料可以有利地用作衬里材料，因为其取决于掺杂水平的明确限定的电导性。
43.根据存储器器件的附加实施例，突出层部分可以通过非突出部分延伸，非突出部分具有比突出层部分的电导性(显著)低的电导性。突出层部分和非突出部分两者均可以构成具有较高电导区域(即，突出层部分)和较少或不电导区域((多个)非突出层部分)的一个突出层。这两个部分都可以位于电介质材料上。不同的电导特性可以通过对突出层的不同部分进行不同的掺杂过程来实现。备选地，可以完全省略突出层的非突出部分。
44.根据存储器件的优选实施例，可以满足以下条件：
45.r
non-projecting
》》r
amorphous
》》r
project
，
46.其中
47.r
non-projection
＝非突出部分的电阻，
48.r
amorphous
＝如果由相变材料的晶相覆盖的区域可以覆盖整个突出层部分的话，则相变材料的电阻，以及
49.r
projection
＝突出层部分的电阻。因此，如果相变材料的体积已经生长得足够大(即，覆盖整个衬里)则可能发生电流比电压曲线的不连续，因为电流可能不再经由衬里绕过相变材料的非晶部分。
50.根据存储器的实施例，突出层部分和非突出层部分可以被不同地掺杂。材料的掺杂浓度可以取决于电导性是应该增加还是减少。示例性的h2或n2可以用作掺杂材料。
51.根据存储器器件的实施例，非突出层部分和突出层部分的掺杂可以使得器件电流(当相变材料处于非晶相时)可以覆盖整个突出层部分，如果与整个突出衬里部分(即，衬里)可以被处于非晶相的相变材料覆盖的状态相比，器件电流可以降低至少2倍。这也可以看作是不同材料(即，非突出部分、突出部分和非晶相中的相变材料)的电阻关系的结果。
52.根据存储器器件的实施例，突出层部分和突出层的非突出层之间的掺杂可以根据预定梯度而改变。因此，可以在通过突出层的电流和非晶相中的相变材料之间产生更高级的依赖性。
53.根据存储器器件的实施例，突出层部分和/或非突出层部分可以是掺杂氢或氮的。这些材料已经被证明对于这些种类的存储器单元和所限制的突出层设计是实际使用的。它们可以增加或减少相应层材料的电导率。可以使用已知的掩模工艺来控制掺杂工艺。
54.根据存储器器件的实施例，如果与非突出层部分相比，在突出层部分(即，衬里)
中，增加电导性的掺杂剂浓度更高。这是此处所使用的设计原理的逻辑结果。突出层部分将使电流能够容易地流过器件的该部分。对于非突出部分的对比度是真实的。
55.根据存储器器件的实施例，如果与突出部分相比，在非突出部分中，降低电导性的掺杂剂浓度更高。再次，这可能是所提出的单元设计的逻辑结果。
56.根据存储器器件的实施例，在对存储器器件的读取操作期间r
cryst
《《r
project
，其中r
cryst
是处于晶相的相变材料的电阻，并且r
project
是突出层部分的电阻。因此，通过单元的大部分电流可以流过晶相的相变材料，而不是流过突出层部分。
57.根据存储器器件的另一实施例，r
amorphous
》》r
projection
。此关系可以有助于读取操作的适当运作。
58.下面，将给出附图的详细描述。图中的所有说明都是示意性的。特别地，给出了能够实现降低的最小电导状态的本发明的存储器器件的实施例的框图。
59.图1示出了本发明的能够实现降低的最小电导状态的存储器器件100的实施例的框图。存储器器件100(这里为单个单元的形式)示出了在电介质材料102顶部上的图案化衬里层110、118。底部电极106与衬里的中间部(即，突出层部分110)接触。在突出层部分110的顶部，示出了晶状态108和非晶状态112、114、116的相变材料。在相变材料108的顶部存在顶部电极104。
60.可以通过将突出层110、118图案化成突出层部分110和非突出层部分118来产生降低的g
min
状态。字母g表示电导率(1/电阻)。活动器件体积的中心的衬里110具有低电阻率以实现突出(特别是在非复位状态下)，使得小于(例如，大约10％)的读出电流应当解析非晶体积112、114、116。
61.因此，对于所示的蘑菇型单元设计，低电阻衬里的尺寸被限制为小于非晶圆顶的最大尺寸的区域。这由突出层部分110和非突出层部分118之间的边界线120所示出。作为所限制的衬层或突出层部分110的结果，一旦产生了非晶体积的临界尺寸，即一旦与突出接触的相变材料的非晶部分的区域大于低电阻突出层部分110，器件编程曲线就示出不连续性。这是图2中所示出的。
62.图2示出了如这里所提出的针对传统突出衬里与图案化的突出相比的电导率图200。线202示出了对于单元的不同状态，与写入电流i相比的单元的传导率g
cell
。一旦相变材料的非晶部分的体积生长得大于突出层部分110的水平延伸(即，如果非晶圆顶阻挡了完整突出层部分110)，单元电导率显著下降(虚线右侧的两种电导率状态，表示为黑色实心圆)。因此，复位电导显著小于传统的突出存储器单元。
63.图3a再次示出了作为背景的传统突出的存储器器件300的典型设计。它包括顶部电极302和底部电极304。在其间，围绕相变材料308，示出了突出层306。
64.在写入过程期间，电流(由从顶部电极302到底部电极304的虚直线所表示)穿过在顶部电极与底部电极之间的中间某处构成非晶相310的晶形式的相变材料308。图3b中的表示出了电阻r
cryst
因此远小于突出层部分的电阻r
project
，即r
cryst
《《r
project
。在读取期间中，由于r
amourphous
》》r
projection
，从顶部电极302到底部电极304的电流(由第二虚线表示)可以围绕相变材料308的非晶部分310。
65.通过这种突出概念，电阻存储的物理机制与信息检索过程(即，读出)解耦。它利用了存储材料(即，相变材料)中的独特的电传输和结构动力学。
66.这再次由示出了取决于提供给相变存储器单元的电压的电流i的表312示出。突出层显示出恒定的电阻(平线)。在非晶相(amor)电阻的某个点，在单元电阻中存在跳跃点。曲线的表示为“amor，开”的部分是相变材料至少部分地变为晶相的点，从而减少电阻(即，增加电导)。
67.图4示出了神经网络单元的交叉阵列400，其可以用作编程针对例如深度神经网络(dnn)的加权值的基础。当将深度神经网络结构映射到相变存储器单元的交叉阵列400时，上述效果可以是特别有利的。通常，在实际实现中，可以仅使用相变存储器单元的较大交叉型阵列400的较小部分402。因此，在这种器件中，比实际所需要的和使用的更多的相变存储器单元是可用的。对于这些未使用的相变存储器单元，如果它们的电导性在复位状态(即，大的非晶体积)下仅示出了非常小的电导性(在理想情况下，等于零)将是最好的。
68.这将明显地最小化读出期间阵列的功耗，并且因此将增加网络效率。这是因为深度神经网络中可以由阵列的相变存储器单元编码的大多数权重通常为零，或者至少接近零。改进的g
min
状态允许将这些权重直接映射到器件状态，而无需任何附加电子组件。因此不需要不同的器件配置。因为网络效率得到提高，所以深度神经网络效率也得到显著提高，这对于推理应用尤其相关。
69.除了图1的蘑菇型器件设计之外，图5示出了在电介质层502上的横向单元设计500。在第一电极504和第二电极506之间，放置晶相的相变材料508。在非晶相变材料512、514、516下方，示出了已图案化突出衬里510。在相同层中的突出层部分510外部的区域518(即，非突出层部分)具有比中心突出510高得多的电阻(即，低得多的电导)。
70.相变材料的非晶相被示出为具有指示相变存储器单元的不同状态的不同直径512、514、516。由相变存储器的体积512和514所指示的示例性所示出的两个状态不完全覆盖突出层部分510。然而，如果相变存储器的非晶体积516覆盖比突出层部分510更大的区域，则达到复位状态(g
min
)。这是因为从第一电极504到第二电极506的电流必须主要流过非晶相变材料。
71.图6示出了基于这里所提出的概念的相变存储器单元或器件的所限制的设计。在此，晶形式的相变材料608定位于顶部电极604与底部电极606之间。整个器件被电介质层602包围。同样可见的是围绕相变材料608的中间部分的突出层部分610。还示出了存储器单元的相变材料的非晶相的不同体积612、614、616。在相变存储材料的非晶部分616生长得大于由突出层部分610所覆盖的区域的情况下，器件600处于复位状态(即，达到g
min
)。还应当提及的是，区域618(即，非突出层部分)具有比突出层部分610高得多的电阻率。
72.因此，在横向(图5)和所限制的单元设计(图6)中，突出层部分510、610的长度分别被限制为小于在复位时可以在器件中产生的最长非晶长度。与此相比，在蘑菇形单元中(比较图1)，突出区域104被限制在由在复位时在器件中所产生的非晶半球所完全覆盖的区域。
73.另外，也可以使用渐变的衬里层，其中核心突出部分在衬里的中间。这可以使未覆盖的衬里部分和完全覆盖的衬里之间的过渡不太突然。为此，可以使用具有掺杂浓度梯度的衬里704。衬里704从非晶体积的中心到相应边缘变得电阻更强。这在图7a和7b中的图1的上下文中所讨论的单元版本和图7的右侧的梯度衬里版本的并排比较700中的示出。因此，图7a重复来自图1的蘑菇状单元设计，而图7b与衬里710的掺杂浓度梯度有关。
74.可以注意到，附图标记是图1中广泛使用的那些，并且左蘑菇状单元设计在衬里的
突出层部分110和突出层的剩余部分118(非突出部分)之间具有清晰的垂直线120。图7b右侧的可比单元设计示出了在突出部分710的中心部分(即，衬里)和剩余部分118(非突出部分)之间的上升和下降边缘。
75.因此，与左侧设计(图7c)有关的衬里的电阻示出了电阻的突然减小和增大，而右侧设计显示出衬里部分的电阻逐渐减小和增大(图7d)。这也转化为读取电流i
read
的不同特性。对于左侧设计(图7e)，读取电流的减小是突然的，这取决于相变材料的非晶部分的体积(volume
armor
)。相反，对于存储器单元的右侧(图7f)设计，随着相变材料的非晶相的体积的增加，读取电流的退化示出了更加平滑(更小倾斜)的特性。
76.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
77.本发明可以与系统、使用存储器件和/或计算机程序产品的相关方法一起具化。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)，计算机可读程序指令用于使处理器执行本发明的各方面。
78.本文中参考根据本发明实施例的方法、装置((系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。
79.附图中的流程图和/或框图示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现所指定的(多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替备选实现中，框中所提及的功能可不按图中所提及的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。
80.本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
81.在以下权利要求中的所有部件或步骤加上功能元素的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与如具体要求保护的其它要求保护的元素组合执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但是该描述不是穷举的或者将本发明限制为所公开的形式。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说是明显的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有各种修改的各种实施例，如适合于预期的特定使用。
82.基于前述内容，公开了计算机系统、方法和计算机程序产品。然而，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改和替换。因此，本发明已经通过示例而非限制的方式公开。
83.尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
84.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释一个或多个实施例的原理、实际应用或对市场中存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。