CN111279501A - 相变存储器 - Google Patents
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Abstract
一种相变存储(PCM)器件，其包括第一电极、第二电极、存储层和加热器。该存储层包括相变材料并且电耦合于第一电极和第二电极之间。加热器布置于存储层附近并且被配置为响应于通过加热器的电流来加热存储层中的编程区域。加热器经由不通过存储层的电流路径来耦合到电源。
Description
技术领域
本申请涉及非易失性存储器领域，更具体而言，涉及相变存储器(PCM)的方法和设备。
背景技术
非易失性存储器广泛用于各种电子装置中，例如智能电话、智能手表、数字相机、USB拇指驱动器等。另外，非易失性存储器也是新兴的针对硬盘驱动器的固态替代品。相变存储器(PCM)是一种有前途的非易失性存储器，其利用相变材料在不同状态(例如，晶态和非晶态)之间的大电阻率差。例如，相变材料在非晶相中比在晶相中具有更高的电阻率。
在PCM器件操作期间，具有窄脉冲宽度和大幅度的电流脉冲被注入相变材料的区域中。脉冲的电流迅速熔化相变材料，相变材料然后重新固化。该过程导致材料从晶态变为非晶态，即，从低电阻状态变为高电阻状态。该过程可以用作针对PCM器件的写入步骤。如果高电阻代表数据“0”，则写入“0”表示将材料从低电阻晶态改变为高电阻非晶态。另一方面，在非晶材料的该区域被施加以中等幅度和中等脉冲宽度的电流时，发生另一写入步骤，并且材料从非晶态变为晶态，即，从高电阻状态变为低电阻状态。如果低电阻代表数据“1”，则写入“1”表示将材料从高电阻非晶态改变为低电阻晶态。在应用中，在PCM器件处发生多次在“0”和“1”之间的切换。
在非晶相和晶相之间的切换过程是通过沿相变材料的区域中的电流路径的焦耳(Joule)热导致的。例如，在电流脉冲足够大时，产生的热量可以使沿电流路径的截面的材料熔化或结晶。相变材料的质量密度通常在结晶时增大，并且因此在随时间重复的循环之后，在相变材料中的应力加强。累积的应力连同质量密度的变化可能导致孔洞(void)的形成，尤其是在电极和相变材料之间的界面区域中。在孔洞阻挡了PCM器件的电流路径时，不能够再施加电流以读取或写入信息。该路径被阻挡，并且器件受到永久性损伤。因此，孔洞的形成影响了PCM器件的可靠性。
因此，存在着通过减少孔洞形成并减小由孔洞形成导致的损伤来改善PCM器件可靠性的需求。公开的器件涉及解决该问题和其他问题。
发明内容
在一个方面中，本公开提供了一种相变存储器(PCM)器件，其包括第一电极、第二电极、存储层和加热器。该存储层包括相变材料并且电耦合于第一电极和第二电极之间。加热器布置于存储层附近并且被配置为响应于通过加热器的电流来加热存储层的编程区域。加热器经由不通过存储层的电流路径来耦合到电源。
本公开的其他方面可以由本领域的技术人员考虑到本公开的说明书、权利要求和附图而理解。
附图说明
图1A、1B和1C示出了根据本公开的实施例的相变存储器(PCM)器件的示意性结构图；
图2示出了根据本公开另一实施例的另一PCM器件的示意性结构图；
图3示出了根据本公开另一实施例的另一PCM器件的示意性结构图；
图4A、4B和4C示出了根据本公开另一实施例的另一PCM器件的示意性结构图；
图5示出了根据本公开另一实施例的另一PCM器件的示意性结构图；以及
图6A和6B示出了根据本公开另一实施例的另一PCM器件的示意性结构图。
具体实施方式
下文参考附图描述了本公开的实施例中的技术方案。只要有可能，就将在所有附图中使用相同的附图标记指示相同或相似部分。显而易见地，所述实施例仅仅是本公开的实施例的一些而非全部。本领域技术人员基于本公开的实施例，无需创造性劳动而获得的其他实施例应当落在本公开的保护范围之内。
图1A-1C示意性示出了根据本公开的实施例的示例相变存储器(PCM)器件100的结构。图1A和1B是PCM器件100的截面图，以及图1C是PCM器件100沿图1B的线AA’的另一截面图。如图1A-1C所示，该PCM器件100包括顶部电极101和底部电极102。PCM器件100还包括夹置于顶部电极101和底部电极102之间的存储层103和隔离层104。在图1A和1B中所示的示例中，隔离层104布置于存储层103和底部电极102之间。在一些其他实施例中，隔离层104能够布置于顶部电极101和存储层103之间。
PCM器件100还包括导体层105、加热器106和电极107和108。导体层105和加热器106嵌入在隔离层104中。电极107和108至少部分地掩埋在隔离层104中。电极107和108电耦合到加热器106并且被配置为向加热器106提供电流。在图1A和1B中所示的示例中，导体层105电耦合于存储层103和底部电极102之间。在隔离层104被布置于顶部电极101和存储层103之间的一些其他实施例中，导体层105可以电耦合于顶部电极101和存储层103之间。
存储层103可以包括相变材料，诸如基于Ge-Sb-Te(GST)的材料中的一种或多种材料。相变材料的一个示例为Ge2Sb2Te5。相变材料可以在不同相态(例如晶相和非晶相)之间具有较大的电阻率对比。例如，相变材料可以在晶相中呈现出相对较低的电阻率，但在非晶相中呈现出相对较高电阻率，并且相变材料在非晶相中的电阻率可以比在晶相中的电阻率要高数百到数千倍。相变材料在被加热时可以在不同相态之间切换。根据本公开，加热器106可以用于加热存储层103的至少一部分，以改变存储层103的至少一部分的相态(phase)。
在本公开中，存储层103的可以被加热器106加热以改变相态的部分也称为存储层103的编程区域，该编程区域由图1B中的参考标记109指示。编程区域109可以与导体层105相邻并且与导体层105电耦合。可以通过向加热器106施加电流，例如电流脉冲，来改变编程区域109的相态。在图1B中所示的示例中，编程区域109具有圆顶(dome)形状。在一些其他实施例中，编程区域109可以具有另一种形状。编程区域109的形状可以取决于各种因素，例如存储层103的配置和/或属性、和/或加热器106的形状和/或布置。
加热器106可以由具有适当电阻率的适当电阻材料制成，例如金属材料、陶瓷材料或复合材料。例如，加热器106可以由包括80％的镍和20％的铬的镍铬合金制成。根据用于形成加热器106的材料，加热器106可以包括金属加热元件、陶瓷加热元件或复合加热元件。
在图1A-1C中所示的示例中，加热器106包括围绕导体层105的端部的环形加热元件。在一些其他实施例中，加热器106可以部分地围绕导体层105的端部。另外，加热器106可以未必是环形或部分环形。在一些实施例中，加热器106可以具有能够至少部分地围绕导体层105的端部的另一种形状，例如正方形或部分正方形形状、矩形或部分矩形形状或椭圆或部分椭圆形状、或包括以上示例形状的两种或更多种的组合的形状。在一些实施例中，加热器106不围绕或部分地围绕导体层105的端部。例如，加热器106可以布置于导体层105的端部附近，只要存储层103的一部分能够被加热器106加热以改变相态即可。
在一些实施例中，加热器106和导体层105的端部设置于存储层103附近，例如，在编程区域109附近。加热器106可以掩埋于隔离层104中并且通过隔离层104来与顶部电极101、底部电极102、导体层105和/或存储层103电隔离。编程区域109的一部分可以物理接触导体层105的端部的表面。加热器106可以通过隔离层104的薄部分来与编程区域109和导体层105分开。
如图1A-1C中所示，电极107和108布置于加热器106的相对两侧并且布置于在顶部电极101和底部电极102之间的位置处。电极107和108电耦合到加热器106并且向加热器106提供电流。在一些实施例中，在电流通过加热器106时，加热器106可以经由焦耳加热来产生热量，并且通过例如通过隔离层104的薄部分的热传递，来加热编程区域109。因此，在经由电极107和108向加热器106施加电流时，编程区域109的温度可以升高。
在一些实施例中，顶部电极101、底部电极102、电极107和电极108可以均具有片状结构，并且包括一种或多种低电阻材料，例如金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅)。在一些实施例中，电极107和108可以均具有条状结构。
隔离层104可以包括电绝缘材料，例如二氧化硅或氮化硅。
导体层105可以包括与顶部电极101和/或底部电极102相同的材料或不同的材料。在一些实施例中，导体层105可以包括一种或多种低电阻材料，例如，金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅，诸如n型多晶硅)。
在图1A-1C中所示的示例中，导体层105具有圆柱的形状。在平行于存储层103或底部电极102的平面中，导体层105的截面可以比存储层103或底部电极102的截面更小或小得多。在一些其他实施例中，导体层105可以具有椭圆柱形、矩形柱形或正方形柱形。在一些实施例中，可以在导体层105和存储层103之间形成薄层。例如，该薄层能够改善在导体层105和存储层103之间的界面质量。该薄层可以包括例如TiN。
下文描述了PCM器件100的示例操作。假设存储层103初始处于具有低电阻的晶态中。当在短时段内向加热器106施加大电流，例如，大电流脉冲时，编程区域109被加热到高于相变材料的熔化温度的温度。在编程区域109中的相变材料熔化并且然后冷却之后，编程区域109固化，但进入非晶态中。亦即，这种加热-冷却过程导致编程区域109从晶态变为非晶态。当在中等时段内向加热器106施加中等电流，例如，中等电流脉冲时，编程区域109再次被加热到高于相变材料的结晶温度但低于相变材料的熔化温度的温度。在这个温度下，编程区域109可以被重结晶。亦即，这种加热过程导致编程区域109返回到晶态。
编程区域109和存储层103的剩余部分彼此电耦合，并且存储层103的剩余部分的电阻可以在PCM器件100的操作期间保持不变。因此，PCM器件100的电阻改变可以由编程区域109的电阻改变来确定，即由编程区域109的相变来确定。因此，PCM器件100的电阻可以用于检测编程区域109是处于晶态还是非晶态，并且相变可以用于数据存储。
根据本公开，经由电极107和108来为加热器106加电。因此，即使在编程区域109中由于编程区域109的重复膨胀和收缩而导致形成孔洞，但是因为加热器106不依赖于编程区域109来接收电流，所以加热器106的操作不受影响。
在一些实施例中，加热器106可以用作用于加热编程区域109的唯一的加热器。在一些其他实施例中，导体层105也可以由电阻材料形成，并且还充当加热器。在写入期间，可以经由顶部电极101和底部电极102来向导体层105施加电流，以产生焦耳热，用于加热编程区域109。在这些实施例中，导体层105和加热器106可以一起加热编程区域109。替代地，导体层105可以充当主要加热器，以及加热器106可以充当辅助加热器。亦即，在正常操作期间，导体层105可以用于加热(并且因此编程)编程区域109。当在编程区域109中形成孔洞，所述孔洞导致在通过导体层105的电流路径中的开路或异常大的电阻时，导体层105可能不再工作。在这种状况下，加热器106可以用于通过在一个或多个循环中加热编程区域109以消除孔洞，来修复编程区域109，从而可以重新建立通过导体层105的电流路径。
图2示出了根据本公开的实施例，截面图中的另一示例PCM器件200的示意性结构图。PCM器件200类似于图1A-1C中所示的PCM器件100，除了PCM器件200还包括多个端子。上文结合图1A-1C所述的实施例的所有结构和材料特征和变化可以应用于PCM器件200。如图2中所示，PCM器件200包括顶部电极201、底部电极202、存储层203、隔离层204、导体层205、加热器206和耦合到加热器206的电极207和208。加热器206和导体层205布置于包括电绝缘材料的隔离层204中。顶部电极201、底部电极202、电极207和电极208可以均具有片状结构，并且包括一种或多种低电阻材料，例如金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅)。导体层205可以包括与顶部电极201和/或底部电极202相同的材料或不同的材料。在一些实施例中，导体层205可以包括一种或多种低电阻材料，例如，金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅，诸如n型多晶硅)。
类似于PCM器件100的存储层103，存储层203可以包括相变材料，诸如基于GST的材料中的一种或多种材料。相变材料可以在不同相态(例如晶相和非晶相)之间具有较大电阻率对比。相变材料可以在被加热时在不同相态之间切换。根据本公开，加热器206可以用于加热和改变存储层203的编程区域(未示出)的相态。存储层203的编程区域可以具有圆顶或另一种形状，并且与导体层205相邻并且与导体层205电耦合。
类似于PCM器件100的加热器106，加热器206可以由具有适当电阻率的电阻材料制成并且包括围绕导体层205的端部的环形加热元件。在一些其他实施例中，加热器206可以具有另一种形状并且完全或部分地围绕或接近导体层205的端部。
在一些实施例中，加热器206和导体层205的端部设置于存储层203附近，例如，在存储层203的编程区域附近。加热器206可以掩埋于隔离层204中并且通过隔离层204来与顶部电极201、底部电极202、导体层205和/或存储层203电隔离。存储层203的编程区域的一部分可以物理接触导体层205的端部的表面。
类似于PCM器件100的配置，电极207和208布置于加热器206的相对两侧以及布置在顶部电极201和底部电极202之间的位置处。电极207和208电耦合到加热器206并且向加热器206提供电流。当经由电极207和208向加热器206施加电流时，编程区域109的温度可以升高。
如图2中所示，顶部电极201和底部电极202分别电耦合到端子1和2，并且电极207和208分别电耦合到端子3和4。端子1、2、3和4可以形成两个电隔离的电流路径。一个电流路径通过导体层205和存储层203，以及另一个电流路径通过加热器206。
在一种操作模式中，经由端子3和4对加热器206加电，以通过加热存储层203的编程区域来向存储层203写入数据。例如，可以向加热器206供应较大或中等电流脉冲以加热编程区域，以便在非晶相和晶相之间切换编程区域的相态。可以经由端子1和2，通过检测存储层203的电阻来执行读取过程。例如，高电阻值可以代表数据“0”，而低电阻值可以代表数据“1”。如果电阻值异常高，则可能指示通过导体层205和存储层203的路径被阻挡。在这种状况下，加热器206可以用于通过在一个或多个循环中加热编程区域，来修复编程区域。在这个过程期间可以发生重结晶或熔化加重结晶。
在一些其他实施例中，导体层205也可以由类似于加热器206的电阻材料制成。在这些实施例中，可以实现另一种操作模式。在这种操作模式下，可以通过使用导体层205作为主要加热器来加热编程区域来执行写入过程，而加热器206被用作辅助加热器，用于修复编程区域。因此，可以在写入和读取过程二者中都使用端子1和2，而修复过程中涉及到端子3和4。经由端子1和2，可以施加较大或中等电流脉冲，以在非晶态和晶态之间切换编程区域的相态，以向编程区域写入数据。可以通过检测存储层203的电阻来执行读取过程。如果电阻值异常高，则可能指示通过导体层205和存储层203的电流路径被阻挡。在这种状况下，可以经由端子3和4对加热器206加电，以通过在一个或多个循环中加热编程区域来修复编程区域。在这个过程期间可以发生重结晶或熔化加重结晶。
图3示出了根据本公开的实施例，截面图中的另一示例PCM器件300的示意性结构图。PCM器件300类似于图2中所示的PCM器件200，除了PCM器件300包括不同的端子配置。上文结合图2所述的实施例的所有结构和材料特征和变化可以应用于PCM器件300。如图3中所示，PCM器件300包括顶部电极301、底部电极302、存储层303、隔离层304、导体层305、加热器306和耦合到加热器306的电极307和308。在一些实施例中，PCM器件300的顶部电极301、底部电极302、存储层303、隔离层304、导体层305、加热器306和电极307和308分别与PCM器件200的顶部电极201、底部电极202、存储层203、隔离层204、导体层205、加热器206和电极207和208相同或相似。
例如，存储层303可以包括相变材料，诸如基于GST的材料中的一种或多种材料。相变材料可以在不同相态(例如晶相和非晶相)之间具有较大的电阻率对比。相变材料可以在被加热时在不同相态之间切换。加热器306可以用于加热和改变存储层303的编程区域(未示出)的相态。编程区域可以具有圆顶或另一种形状，并且与导体层305相邻并且与导体层305电耦合。
如图3中所示，PCM器件300具有两个端子：端子5和6。顶部电极301和电极307电耦合到端子5，并且底部电极302和电极308电耦合到端子6。图3还示出了在端子5和6之间形成的两个独立电流路径，即，通过加热器306的第一电流路径，和通过导体层305和存储层303的第二电流路径。图3中的箭头指示第一电流路径和第二电流路径中电流的示例方向。在一些其他实施例中，第一电流路径和第二电流路径中电流的方向可以与图3中的箭头所示那些方向相反。
如图3中所示，第一电流路径和第二电流路径并联电连接。因此，器件300的电阻可以等于并联连接的第一电流路径和第二电流路径的电阻。第一电流路径的电阻可以是固定的并且由加热器306确定。编程区域和存储层303的剩余部分彼此电耦合，并且存储层303的剩余部分的电阻可以在PCM器件300操作期间保持不变。因此，第二路径的电阻的变化可以取决于编程区域的电阻的变化，即，取决于编程区域的相态。因此，PCM器件300在端子5和6之间的电阻可以用于检测编程区域是处于晶态还是非晶态，并且编程区域的相变可以用于数据存储。
下文描述了PCM器件300的示例操作。假设存储层303初始处于具有低电阻的晶态中。还假设导体层305具有比加热器306低得多的电阻。因此，初始由于加热器306的电阻，第一电流路径的电阻比第二电流路径的电阻大得多。当在短时段内向器件300施加大电流，例如，大电流脉冲时，该电流被分成沿第一电流路径通过加热器306的第一电流以及沿第二电流路径通过导体层305和存储层303的第二电流。通过加热器306的第一电流可以在加热器306中产生热量，以加热存储层303的编程区域。在某些情况下，第二电流也可以产生一些可以加热编程区域的热量。因此，编程区域可以被加热到高于相变材料的熔化温度的温度。在编程区域中的相变材料熔化并且然后冷却之后，编程区域固化到非晶状态中。亦即，这种加热-冷却过程导致编程区域从晶态变为非晶态。
当在中等时段内向器件300施加中等电流，例如，中等电流脉冲时，再次将电流分成分别沿第一电流路径和第二电流路径流动的第一电流和第二电流。类似于上述大电流过程，通过加热器306的第一电流能够在加热器306中产生热量，并且第二电流也可以产生热量。因此，编程区域被加热到高于相变材料的结晶温度但低于相变材料的熔化温度的温度。在这个温度下，编程区域可以被重结晶。亦即，这种加热过程导致编程区域返回到晶态。
根据本公开，经由第一电流路径来为加热器306加电。因此，即使例如由于编程区域重复的膨胀和收缩而导致在编程区域中沿第二电流路径形成孔洞，但是因为加热器306不依赖于第二电流路径来接收电流，所以加热器306的操作不受影响。因此，加热器306可以用于加热编程区域以修复编程区域。
在一些其他实施例中，导体层305也可以由电阻材料形成，并且还充当加热器。在第二电流路径导通时，这个加热器和加热器306能够一起加热编程区域。当在编程区域中形成孔洞，所述孔洞导致第二电流路径中的开路或异常大的电阻时，导体层305可能不再工作。在这种状况下，加热器306可以用于通过在一个或多个循环中加热编程区域以消除孔洞，来修复编程区域，从而可以重新建立第二电流路径。
图4A-4C示意性示出了根据本公开实施例的另一示例PCM器件400的结构。图4A和4B是PCM器件400的截面图，以及图4C是PCM器件400沿图4A的线BB’的另一截面图。如图4A-4C中所示，PCM器件400包括顶部电极401、底部电极402、存储层403、隔离层404、导体层405、加热器406和耦合到加热器406的电极407和408。隔离层404，包括电绝缘材料，诸如二氧化硅或氮化硅，布置于存储层403和底部电极402之间。加热器406掩埋于隔离层404中，以及电极407和408至少部分地掩埋在隔离层404中。顶部电极401、底部电极402、电极407和电极408可以均具有片状结构，并且包括一种或多种低电阻材料，例如金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅)。在一些实施例中，电极407和408可以均具有条状结构。导体层405可以包括与顶部电极401和/或底部电极402相同的材料或不同的材料。在一些实施例中，导体层405可以包括一种或多种低电阻材料，例如，金属(例如，铜)和/或半导体材料(例如，多晶硅，诸如n型多晶硅)。在图4A和4B中所示的示例中，导体层405电耦合于存储层403和底部电极402之间。
存储层403可以包括相变材料，诸如基于GST的材料中的一种或多种材料。相变材料的一个示例为Ge2Sb2Te5。相变材料可以在不同相态(例如晶相和非晶相)之间具有较大电阻率对比。例如，相变材料在晶相中可以呈现出相对较低电阻率，但在非晶相中呈现出相对较高电阻率。相变材料可以在被加热时在不同相态之间切换。根据本公开，加热器406可以用于加热编程区域409(其为存储层403的突出部分的一部分)(如图4B所示)，以改变编程区域409的相态。
在本公开中，编程区域409可以接触导体层405并且与导体层405电耦合。可以通过向加热器406施加电流，例如电流脉冲，来改变编程区域409的相态。在图4A-4C中所示的示例中，存储层403的突出部分具有圆柱的形状。在平行于存储层403或接触层405的平面中，突出部分的截面可以比存储层403或接触层405的截面更小或小得多。在一些其他实施例中，存储层403的突出部分可以具有另一种形状，例如椭圆柱形、矩形柱形或正方形柱形。
在本公开中，加热器406可以由具有适当电阻率的电阻材料制成，例如金属材料、陶瓷材料或复合材料。例如，加热器406可以由包括80％的镍和20％的铬的镍铬合金制成。根据用于形成加热器406的材料，加热器406可以包括金属加热元件、陶瓷加热元件或复合加热元件。
如图4A-4C中所示，加热器406可以包括围绕编程区域409的环形加热元件。在一些其他实施例中，加热器406可以部分地围绕编程区域409。另外，加热器406可以未必是环形或部分环形。在一些实施例中，加热器406可以具有能够至少部分地围绕编程区域409的另一种形状，例如正方形或部分正方形形状、矩形或部分矩形形状、或椭圆或部分椭圆形状、或包括以上示例形状的两种或更多种的组合的形状。在一些实施例中，加热器406不围绕或部分地围绕编程区域409。例如，加热器406可以布置于编程区域409附近，只要编程区域409能够被加热器406加热以改变相态即可。
在一些实施例中，加热器406设置于存储层403附近，例如，在编程区域409附近并且通过隔离层404的薄部分来与编程区域409和导体层405分开。加热器406可以与顶部电极401、底部电极402、导体层405和/或存储层403电隔离。
如图4A-4C中所示，电极407和408布置于加热器406的相对两侧并且布置于顶部电极401和接触层405之间的位置处。电极407和408电耦合到加热器406并且向加热器406提供电流。在一些实施例中，当电流通过加热器406时，加热器406可以经由焦耳加热来产生热量，并且通过例如经隔离层404的薄部分的热传递来加热编程区域409。因此，在经由电极407和408来向加热器406施加电流时，编程区域409的温度可以升高。
在一些实施例中，薄层可以形成于编程区域409和导体层405之间，例如，以改善在编程区域409和导体层405之间的界面质量。该薄层可以包括例如TiN。
下文描述了PCM器件400的示例操作。假设存储层403初始处于具有低电阻的晶态中。当在短时段内向加热器406施加大电流，例如大电流脉冲时，编程区域409被加热到高于相变材料的熔化温度的温度。在编程区域409中的相变材料熔化并且然后冷却之后，编程区域409固化，但进入非晶状态中。亦即，这种加热-冷却过程导致编程区域409从晶态变为非晶态。当在中等时段内向加热器406施加中等电流，例如，中等电流脉冲时，编程区域409再次被加热到高于相变材料的结晶温度但低于相变材料的熔化温度的温度。在这个温度下，编程区域409可以被重结晶。亦即，这种加热过程导致编程区域409返回到晶态。
编程区域409和存储层403的剩余部分彼此电耦合，并且存储层403的剩余部分的电阻可以在PCM器件400操作期间保持不变。因此，PCM器件400的电阻改变可以由编程区域409的电阻改变来确定，即由编程区域409的相变来确定。因此，PCM器件400的电阻可以用于检测编程区域409是处于晶态还是非晶态并且相变可以用于数据存储。
根据本公开，经由电极407和408来为加热器406加电。因此，即使由于编程区域409的重复膨胀和收缩而导致在编程区域409中形成孔洞，但是因为加热器406不依赖于编程区域409来接收电流，所以加热器406的操作不受影响。
图5示意性示出了根据本公开的实施例，截面图中的另一示例PCM器件500的结构。PCM器件500类似于图4A-4C中所示的PCM器件400，除了PCM器件500不包括像导体层405的导体层。亦即，在PCM器件500中，存储层直接接触下部电极(lower electrode)。PCM器件500的其他部分的结构和材料特征和变化可以与PCM器件400的那些结构和材料特征和变化相同或相似。如图5中所示，PCM器件500包括顶部电极501、底部电极502、存储层503、隔离层504、加热器506和耦合到加热器506的电极507和508。
在一些实施例中，PCM器件500的顶部电极501、存储层503、隔离层504、加热器506和电极507和508与PCM器件400的顶部电极401、存储层403、隔离层404、加热器406和电极407和408相同或相似。在一些实施例中，可以通过与针对PCM器件400的相同或相似的方式来操作PCM器件500。另外，可以使用加热器506通过与使用加热器406修复PCM器件400相同或相似的方式来修复PCM器件500。
例如，隔离层504布置于存储层503和底部电极502之间。加热器506掩埋于隔离层504中。存储层503可以包括相变材料。加热器506可以用于加热编程区域409(未标记)(其为存储层503的突出部分的一部分)，以改变编程区域的相态。存储层503的突出部分可以具有圆柱、椭圆柱、矩形柱或正方形柱的形状。加热器506可以具有环形形状或另一种形状，并可以至少部分地围绕存储层503的编程区域。加热器506还可以设置成接近编程区域而不围绕编程区域。电极507和508布置于加热器506的相对两侧并且布置于顶部电极501和底部电极502之间的位置处。在一些实施例中，薄层可以形成于存储层503和底部电极502之间，例如，以改善在存储层503和底部电极502之间的界面质量。
图6A和6B示意性示出了根据本公开的实施例，截面图中的另一示例PCM器件600的结构。除了加热器606的位置之外，PCM器件600类似于图5中所示的PCM器件500。在PCM器件500中，加热器506与底部电极502相邻，而在PCM器件600中，加热器606设置于远离底部电极602一给定距离的位置处。上文结合图5所述的实施例的大部分结构和材料特征和变化可以应用于PCM器件600。如图6中所示，PCM器件600包括顶部电极601、底部电极602、存储层603、隔离层604、加热器606和耦合到加热器606的电极607和608。
在一些实施例中，PCM器件600的顶部电极601、加热器606和电极607和608与PCM器件500的顶部电极501、加热器506和电极507和508相同或相似。
例如，隔离层604布置于存储层603和底部电极602之间。加热器606掩埋于隔离层604中，所述隔离层包括一种或多种电绝缘材料。存储层603可以包括相变材料，诸如基于GST的材料中的一种或多种材料。电极507和508布置于加热器506的相对两侧并且布置在顶部电极501和底部电极502之间的位置处。
类似于PCM器件500的存储层503，PCM器件600的存储层603具有由图6A中的附图标记609指示的突出部分。加热器606可以用于加热编程区域610(其为突出部分609的部分)，以改变编程区域610的相态。突出部分609可以具有圆柱、椭圆柱、矩形柱或正方形柱的形状。在平行于存储层603的平面中，突出部分609的截面可以比存储层603的截面更小或小得多。加热器606可以具有环形形状或另一种形状，并且可以至少部分地围绕编程区域610。加热器606还可以设置成接近编程区域610而不围绕编程区域610。在一些实施例中，薄层可以形成于突出部分609和底部电极602之间，例如，以改善在突出部分609和底部电极602之间的界面质量。
如图6A和6B中所示，编程区域610被布置为远离底部电极602一给定距离。因此，编程区域610远离突出部分609和底部电极602之间的界面一给定距离，即，远离相变材料和导体之间的界面一给定距离。类似地，编程区域610也设置成远离存储层603和顶部电极601之间的界面另一距离。因此，不是编程区域610，而是在区域610外部的突出部分609的一部分物理地接触底部电极602的表面。
下文描述了PCM器件600的示例操作。假设存储层603初始处于具有低电阻的晶态中。当在短时段内向加热器606施加大电流，例如，大电流脉冲时，编程区域610被加热到高于相变材料的熔化温度的温度。在编程区域610中的相变材料熔化且并然后冷却之后，编程区域610固化，但进入非晶状态中。亦即，这种加热-冷却过程导致编程区域610从晶态变为非晶态。当在中等时段内向加热器606施加中等电流，例如，中等电流脉冲时，编程区域610再次被加热到高于相变材料的结晶温度但低于相变材料的熔化温度的温度。在这个温度下，编程区域610可以被重结晶。亦即，这种加热过程导致编程区域610返回到晶态。
编程区域610和存储层603的剩余部分彼此电耦合，并且存储层603的剩余部分的电阻可以在PCM器件600的操作期间保持不变。因此，PCM器件600的电阻的改变可以由编程区域610的电阻的改变来确定，即由编程区域610的相变来确定。因此，PCM器件600的电阻可以用于检测编程区域610是处于晶态还是非晶态并且相变可以用于数据存储。
根据本公开，经由电极607和608为加热器606加电。因此，即使由于编程区域610的重复膨胀和收缩而导致在编程区域610中形成孔洞，但是因为加热器606不依赖于编程区域610来接收电流，所以加热器606的操作不受影响。
当在编程区域610中形成孔洞，所述孔洞导致通过编程区域610的电流路径中的开路或异常大电阻时，加热器606可以用于通过在一个或多个循环中加热编程区域610以消除孔洞，来修复编程区域610，从而可以重新建立通过编程区域610的电流路径。
与编程区域位于导体和相变材料之间的界面处的前述实施例相比，编程区域610设置成远离导体-相变材料界面。编程区域610不接触在突出部分609和底部电极602之间的界面，并且也不接触在存储层603和顶部电极602之间的界面。由于导体-相变材料界面容易在结晶和重结晶过程期间形成孔洞，所以可以在一定程度上缓解孔洞形成问题。
在一些实施例中，可以通过与图2和图3中所述的PCM器件200和300相同的方式，经由顶部电极401、底部电极402和电极407和408来操作PCM器件400。例如，顶部电极401、底部电极402和电极407和408可以电连接到四个分别的端子或连接到仅两个端子。
在一些实施例中，可以通过与图2和图3中所述的PCM器件200和300相同的方式，经由顶部电极501、底部电极502和电极507和508来操作PCM器件500。例如，顶部电极501、底部电极502和电极507和508可以电连接到四个分别的端子或连接到仅两个端子。
在一些实施例中，PCM器件100、400、500和600均可以代表PCM单元的设计。这样的PCM单元可以用于构建用于2D或3D存储器***的二维(2D)或三维(3D)阵列。
尽管通过使用说明书中的具体实施例描述了本公开的原理和实现方式，但实施例的前述描述仅意在帮助理解本公开的方法和该方法的核心理念。同时，本领域的普通技术人员可以根据本公开的理念对具体实现方式和应用范围做出修改。总之，说明书的内容不应被视为对本公开的限制。
Claims (25)
1.一种相变存储器件，包括：
第一电极和第二电极；
包括相变材料的存储层，所述存储层电耦合于所述第一电极和所述第二电极之间；以及
加热器，所述加热器布置于所述存储层附近并且被配置为响应于通过所述加热器的电流来加热所述存储层的编程区域，所述加热器经由不通过所述存储层的电流路径来耦合到电源。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述存储层的所述编程区域沉积于所述第二电极的表面上。
3.根据权利要求1所述的器件，还包括：
导体层，所述导体层电耦合于所述存储层和所述第二电极之间。
4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述导体层电耦合于所述存储层的所述编程区域和所述第二电极之间。
5.根据权利要求3所述的器件，其中，所述导体层包括金属材料。
6.根据权利要求3所述的器件，其中，所述导体层包括半导体材料。
7.根据权利要求3所述的器件，其中，所述导体层在平行于所述存储层的平面中具有比所述第二电极小的截面。
8.根据权利要求3所述的器件，其中，所述导体层包括耦合于所述存储层和所述第二电极之间的导体柱。
9.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器至少部分地围绕所述第二电极的部分，所述第二电极的所述部分与所述存储层相邻。
10.根据权利要求9所述的器件，其中，所述第二电极的所述部分与所述存储层的所述编程区域相邻。
11.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器至少部分地围绕所述存储层的所述编程区域。
12.根据权利要求1所述的器件，其中，所述存储层的所述编程区域包括所述存储层的突出部分。
13.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器包括环形加热元件。
14.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器与所述第一电极和所述第二电极电隔离。
15.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器的第一端子和第二端子分别电耦合到所述第一电极和所述第二电极。
16.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器与所述存储层电隔离。
17.根据权利要求1所述的器件，其中，所述存储层的所述编程区域布置成远离所述第一电极和所述第二电极。
18.根据权利要求1所述的器件，还包括：
布置于所述存储层和所述第二电极之间的隔离层；
其中，所述加热器形成于所述隔离层之内。
19.根据权利要求1所述的器件，还包括：
布置于所述加热器的相对两侧并且在所述第一电极和所述第二电极之间的第三电极和第四电极，所述第三电极和所述第四电极电耦合到所述加热器。
20.根据权利要求1所述的器件，其中，所述存储层包括基于Ge-Sb-Te(GST)的材料。
21.根据权利要求20所述的器件，其中，所述存储层包括Ge2Sb2Te5材料。
22.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器包括金属加热元件、塑料加热元件或复合加热元件。
23.根据权利要求1所述的器件，其中，所述加热器包括镍和铬。
24.根据权利要求1所述的器件，其中，所述存储层具有圆柱、椭圆柱、矩形柱或正方形柱的形状。
25.根据权利要求24所述的器件，其中，所述存储层的所述编程区域布置成远离所述存储层与所述第一电极之间的界面和所述存储层与所述第二电极之间的界面。
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