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特表2024-501824多層相変化メモリ・デバイス

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-16

(54)【発明の名称】多層相変化メモリ・デバイス

(51)【国際特許分類】

H10B 63/10 20230101AFI20240109BHJP

H10N 70/00 20230101ALI20240109BHJP

H10N 70/20 20230101ALI20240109BHJP

H10N 99/00 20230101ALI20240109BHJP

【ＦＩ】

H10B63/10

H10N70/00 A

H10N70/20

H10N99/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023538738

(86)(22)【出願日】2021-10-26

(85)【翻訳文提出日】2023-06-22

(86)【国際出願番号】 CN2021126411

(87)【国際公開番号】W WO2022142647

(87)【国際公開日】2022-07-07

(31)【優先権主張番号】17/136,384

(32)【優先日】2020-12-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＢＵＳＩＮＥＳＳＭＡＣＨＩＮＥＳＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】ＮｅｗＯｒｃｈａｒｄＲｏａｄ，Ａｒｍｏｎｋ，ＮｅｗＹｏｒｋ１０５０４，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓｏｆＡｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡忠彦

(72)【発明者】

【氏名】ブリュー、ケヴィンダブリュー

(72)【発明者】

【氏名】オク、インジョ

(72)【発明者】

【氏名】ハン、ジンピン

(72)【発明者】

【氏名】フィリップ、ティモシーマシュー

(72)【発明者】

【氏名】ブライトスキー、マシュージョセフ

(72)【発明者】

【氏名】ソルニエ、ニコール

【テーマコード（参考）】

5F083

【Ｆターム（参考）】

5F083FZ10

5F083GA05

5F083GA11

5F083GA21

5F083JA60

5F083PR34

(57)【要約】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルは、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第１の相変化材料で構成された第１の相変化層と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第２の相変化材料で構成された第２の相変化層とを備える。第１の相変化材料は第１の抵抗率を有し、第２の相変化材料は第２の抵抗率を有し、第１の抵抗率は第２の抵抗率の少なくとも２倍である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
第１の導電性材料で構成された第１の電極と、
第２の導電性材料で構成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされ、第１の相変化材料で構成された第１の相変化層と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされ、第２の相変化材料で構成された第２の相変化層と、
を備え、
前記第１の相変化材料は、第１の抵抗率を有し、
前記第２の相変化材料は、第２の抵抗率を有し、
前記第１の抵抗率は、前記第２の抵抗率の少なくとも２倍である、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル。

【請求項2】

前記第１の相変化層および前記第２の電極と接触している第３の相変化層であって、第３の相変化材料で構成されている、前記第３の相変化層をさらに備え、
前記第３の相変化材料は、第３の抵抗率を有し、
前記第１の抵抗率は、前記第３の抵抗率の少なくとも２倍である、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項3】

前記第３の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む、請求項２に記載のＰＣＭセル。

【請求項4】

前記第１の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項5】

前記第２の相変化層は、前記第２の相変化材料でできている、請求項４に記載のＰＣＭセル。

【請求項6】

前記第２の相変化層は、前記第１の電極および前記第２の電極と接触している、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項7】

前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされ、半導体材料で構成されたプロジェクション・ライナーをさらに備える、請求項１に記載のＰＣＭセル。

【請求項8】

前記プロジェクション・ライナーは、前記第１の電極および前記第２の相変化層と接触している、請求項７に記載のＰＣＭセル。

【請求項9】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
第１の導電性材料で構成された第１の電極と、
第２の導電性材料で構成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされた第１の相変化層であって、第１の厚さを有し、第１の相変化材料で構成されている、前記第１の相変化層と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされた第２の相変化層であって、第２の厚さを有し、第２の相変化材料で構成されている、前記第２の相変化層と、
を備え、
前記第２の厚さは、前記第１の厚さの４分の１未満である、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル。

【請求項10】

前記第１の相変化層および前記第２の電極と接触している第３の相変化層であって、第３の厚さを有し、第３の相変化材料で構成されている、前記第３の相変化層をさらに備え、
前記第３の厚さは、前記第１の厚さの４分の１未満である、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項11】

前記第３の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項12】

前記第１の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項13】

前記第２の相変化層は、ドープされていない前記第２の相変化材料で本質的にできている、請求項１２に記載のＰＣＭセル。

【請求項14】

前記第１の相変化層は、第１の抵抗率を有し、
前記第２の相変化層は、第２の抵抗率を有し、
前記第１の抵抗率は、前記第２の抵抗率の少なくとも２倍である、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項15】

前記第２の相変化層は、前記第１の電極および前記第２の電極と接触している、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項16】

前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされ、半導体材料で構成されたプロジェクション・ライナーをさらに備える、請求項９に記載のＰＣＭセル。

【請求項17】

前記プロジェクション・ライナーは、前記第１の電極および前記第２の相変化層と接触している、請求項１７に記載のＰＣＭセル。

【請求項18】

第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされたドープ相変化層と、前記ドープ相変化層ならびに前記第１の電極および前記第２の電極のうちの１つと接触している第１の非ドープ相変化層と、を備える相変化メモリ（ＰＣＭ）セルを使用する方法であって、
前記ドープ相変化層に非晶質構造を有する第１の非晶質ゾーンを作成するために、前記第１の電極から、前記第１の非ドープ相変化層を介して前記第２の電極に第１の電流を流すことと、
前記第１の非晶質ゾーンを介する前記第１の電極と前記第２の電極との間の第１の電気抵抗を測定することと、
多結晶構造を有するように前記第１の非晶質ゾーンをアニールするために、前記第１の電極から、前記非ドープ相変化層を介して前記第２の電極に第２の電流を流すことと、
を含む、方法。

【請求項19】

前記第１の非晶質ゾーンのアニーリングの後に、前記第１の電極と前記第２の電極との間の第２の電気抵抗を測定することをさらに含み、
前記第２の電気抵抗は、前記第１の電気抵抗未満である、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記ドープ相変化層に非晶質構造を有する第２の非晶質ゾーンを作成するために、前記第１の電極から、前記第１の非ドープ相変化層を介して前記第２の電極に第３の電流を流すことをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項21】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
第１の導電性材料で構成された第１の電極と、
第２の導電性材料で構成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置決めされた、電気絶縁性材料で構成された絶縁体と、
前記第１の電極および前記第２の電極、ならびに前記絶縁体に沿って位置決めされた第１の相変化層であって、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成され、第１の厚さを有する、前記第１の相変化層と、
前記第１の相変化層と接触しており、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気路内にある第２の相変化層であって、本質的に第２の相変化材料からなり、第２の厚さを有する、前記第２の相変化層と、
を備え、
前記第２の厚さは、前記第１の厚さの半分未満である、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル。

【請求項22】

前記第２の相変化層は、第２の部分から分離された第１の部分を含み、
前記第１の部分は、前記第１の電極と接触しており、かつ前記第１の電極に沿って延在し、
前記第２の部分は、前記第２の電極と接触しており、かつ前記第２の電極に沿って延在し、
前記第１の相変化層は、前記第１の部分、前記絶縁体、および前記第２の部分と接触しており、かつ前記第１の部分、前記絶縁体、および前記第２の部分に沿って延在している、請求項２１に記載のＰＣＭセル。

【請求項23】

前記第１の電極、前記絶縁体、および前記第２の電極と接触しており、かつ前記第１の電極、前記絶縁体、および前記第２の電極に沿って延在するプロジェクション・ライナーであって、金属材料および半導体材料からなる群から選択された材料で構成されている、前記プロジェクション・ライナーをさらに備え、
前記第２の相変化層は、前記プロジェクション・ライナー全体と接触しており、かつ前記プロジェクション・ライナー全体に沿って延在し、
前記第１の相変化層は、前記第２の相変化層全体と接触しており、かつ前記第２の相変化層全体に沿って延在している、請求項２１に記載のＰＣＭセル。

【請求項24】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルであって、
第１の電極と、
第２の電極と、
第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成されたピラーであって、第１の高さを有する、前記ピラーと、
前記ピラーを取り囲む絶縁体であって、電気絶縁性材料を含む、前記絶縁体と、
本質的に第２の相変化材料からなる層であって、前記ピラーと接触しており、前記ピラーの側部全体に沿って延在し、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つと接触しており、第２の高さを有する、前記層と、
を備え、
前記第２の高さは、前記第１の高さの半分未満である、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル。

【請求項25】

前記第１の電極に接続されたセレクタであって、オボニック閾値スイッチを含む、前記セレクタをさらに備える、請求項２４に記載のＰＣＭセル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンピュータ・メモリに関し、より具体的には、複数層を有する相変化材料メモリ・デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

相変化メモリ（ＰＣＭ）は、人工知能のためのアナログ・コンピューティングにおけるトレーニングと推論の両方に利用することができる。相変化メモリ構造体は、デバイスごとに調整可能な伝導率と、エネルギー消費を最小限に抑えるために高い保持力を有する全体的に高いデバイス抵抗を有する相変化メモリスティブ・デバイスを含むことができる。ＰＣＭ材料を、誘電体と、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの低導電性材料と混合（ドーピングとしても知られる）すると、結晶化温度と抵抗率の両方を高めることができ、抵抗状態保持が向上され、プログラミング・パワーが低下する。

【発明の概要】

【0003】

本開示の実施形態によれば、相変化メモリ（ＰＣＭ）セルは、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第１の相変化材料で構成された第１の相変化層と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第２の相変化材料で構成された第２の相変化層と、を備える。第１の相変化材料は、第１の抵抗率を有し、第２の相変化材料は、第２の抵抗率を有し、第１の抵抗率は、第２の抵抗率の少なくとも２倍である。

【0004】

本開示の実施形態によれば、ＰＣＭセルは、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた第１の相変化層であって、第１の厚さを有し、第１の相変化材料で構成されている、上記第１の相変化層と、を備える。ＰＣＭセルはさらに、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた第２の相変化層であって、第２の厚さを有し、第２の相変化材料で構成されている、上記第２の相変化層を備え、第２の厚さは、第１の厚さの４分の１未満である。

【0005】

本開示の実施形態によれば、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされたドープ相変化層と、ドープ相変化層ならびに第１の電極および第２の電極のうちの１つと接触している第１の非ドープ相変化層と、を備えるＰＣＭセルを使用する方法が開示される。この方法は、ドープ相変化層に非晶質構造を有する第１の非晶質ゾーンを作成するために、第１の電極から、第１の非ドープ相変化層を介して第２の電極に第１の電流を流すことと、第１の非晶質ゾーンを介する第１の電極と第２の電極との間の第１の電気抵抗を測定することと、多結晶構造を有するように第１の非晶質ゾーンをアニールするために、第１の電極から、非ドープ相変化層を介して第２の電極に第２の電流を流すことと、を含む。

【0006】

本開示の実施形態によれば、ＰＣＭセルは、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた、電気絶縁性材料で構成された絶縁体と、を備える。ＰＣＭセルはまた、第１の電極および第２の電極、ならびに絶縁体に沿って位置決めされた第１の相変化層であって、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成され、第１の厚さを有する、上記第１の相変化層と、第１の相変化層と接触しており、第１の電極と第２の電極との間の電気路内にある第２の相変化層であって、本質的に第２の相変化材料からなり、第２の厚さを有する、上記第２の相変化層と、を備える。第２の厚さは、第１の厚さの半分未満である。

【0007】

本開示の実施形態によれば、ＰＣＭセルは、第１の電極と、第２の電極と、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成されたピラーであって、第１の高さを有する、上記ピラーと、を備える。ＰＣＭセルはまた、ピラーを取り囲む絶縁体であって、電気絶縁性材料を含む、上記絶縁体と、本質的に第２の相変化材料からなる層であって、ピラーと接触しており、ピラーの側部全体に沿って延在し、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つと接触しており、第２の高さを有する、上記層と、を備え、第２の高さは、第１の高さの半分未満である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】本開示の実施形態による、多結晶構造のドープ層を有するマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図1B】本開示の実施形態による、ドープ相変化層の非晶質化部分を含むドープ相変化材料層を有するマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図1C】本開示の実施形態による、ドープ相変化層の非晶質化部分を含むドープ相変化材料層と、非ドープ相変化層の非晶質化部分を含む非ドープ相変化材料層とを有するマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2A】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2B】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2C】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2D】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2E】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図2F】本開示の実施形態による、代替実施形態のマッシュルームＰＣＭセルの断面図である。

【図3A】本開示の実施形態による、代替実施形態のブリッジＰＣＭセルの断面図である。

【図3B】本開示の実施形態による、代替実施形態のブリッジＰＣＭセルの断面図である。

【図3C】本開示の実施形態による、代替実施形態のブリッジＰＣＭセルの断面図である。

【図4】本開示の実施形態による、代替実施形態のピラーＰＣＭセルの断面図である。

【図5A】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5B】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5C】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5D】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5E】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5F】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【図5G】本開示の実施形態による、代替実施形態の閉じ込めＰＣＭセルの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示のさまざまな実施形態は、関連図面を参照して、本明細書に説明される。本開示の範囲から逸脱することなく、代替実施形態を考案することができる。以下の説明および図面における要素間に、さまざまな接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が示されていることに留意されたい。これらの関係または位置関係あるいはその両方は、特に明記されていない限り、直接的または間接的であり得るものであり、本開示はこの点で限定的であることを意図していない。したがって、エンティティの結合は直接または間接の結合のいずれかを指すことができ、エンティティ間の位置関係は直接的または間接的な位置関係であることが可能である。間接的な位置関係の一例として、本説明における層「Ａ」を層「Ｂ」上に形成することへの参照には、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」と「Ｄ」）が、層「Ａ」と層「Ｂ」に関連する特性と機能が中間層によって実質的に変化しない限り、層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況が含まれる。

【0010】

以下の定義および略語は、特許請求の範囲および明細書の解釈に使用される。本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「含有する」、もしくは「含有している」との用語、またはこれらの任意の他のバリエーションは、非排他的な包含を対象とすることを意図している。例えば、要素のリストを含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されるものではなく、明示的にリストされてないか、その組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置に固有のものでない他の要素を含むことができる。さらに、本明細書に含まれる任意の数値範囲は、特に明記されていない限り、その境界を含む。

【0011】

以下の説明のために、「上部」、「下部」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」との用語、およびこれらの派生語は、図面図に方向づけられているように、説明された構造体および方法に関連するものである。「重なる」、「～の頂上に」、「～の上」、「～の上に位置決めされる」、または「～の頂上に位置決めされる」との用語は、第１の構造体などの第１の要素が第２の構造体などの第２の要素の上に存在することを意味し、接合構造体などの介在要素が、第１の要素と第２の要素との間に存在してもよい。「直接接触」との用語は、第１の構造体などの第１の要素と、第２の構造体などの第２の要素とが、２つの要素の接合部分で任意の中間伝導層、絶縁層、または半導体層なしで接続されることを意味する。例えば、「第２の要素に対して選択的な第１の要素」などの「～に対して選択的」との用語は、第１の要素がエッチング可能であり、第２の要素がエッチ・ストップとして機能することができることを意味することに留意されたい。

【0012】

本明細書では、簡潔にするために、半導体デバイスおよび集積回路（ＩＣ）製造に関する従来の技術について詳細に説明する場合もあればしない場合もある。さらに、本明細書に説明されるさまざまなタスクおよびプロセス・ステップは、本明細書に詳細には説明されていない追加のステップまたは機能を有するより包括的な手順またはプロセスに組み込むことができる。特に、半導体デバイスや半導体ベースのＩＣの製造におけるさまざまなステップはよく知られているため、簡潔さの観点から、本明細書では、多くの従来のステップについては簡単に触れるのみか、よく知られたプロセスの詳細を提供せずに完全に省略する。

【0013】

一般に、ＩＣにパッケージ化されるマイクロチップを形成するために使用されるさまざまなプロセスは、４つの一般的なカテゴリ、すなわち、膜堆積、除去／エッチング、半導体ドーピング、およびパターニング／リソグラフィに分類される。

【0014】

成膜は、ウェハ上に材料を成長させる、コーティングする、またはそうでなく転写する任意のプロセスであり得る。利用可能な技術には、数ある中でも、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、電解メッキ（ＥＣＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、および、より最近では原子層堆積（ＡＬＤ）がある。別の成膜技術は、プラズマ中のエネルギーを使用してウェハ表面で反応を起こすプロセスであるプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）である。これは、そうしなければ、従来のＣＶＤに関連付けられている高い温度が必要となる。ＰＥＣＶＤ成膜中のエネルギー・イオン衝撃は、膜の電気的特性および機械的特性を向上させることもできる。

【0015】

除去／エッチングは、ウェハから材料を除去する任意のプロセスであり得る。エッチング・プロセス（湿式または乾式のいずれか）の例としては、化学機械平坦化（ＣＭＰ）などが挙げられる。除去プロセスの一例は、イオン・ビーム・エッチング（ＩＢＥ）である。一般的に、ＩＢＥ（またはミリング）とは、リモートのブロード・ビーム・イオン／プラズマ源を利用して、物理的な不活性ガス手段または化学反応性ガス手段あるいはその両方によって基板材料を除去する乾式プラズマ・エッチング方法を指す。他の乾式プラズマ・エッチング技術と同様に、ＩＢＥにはエッチング速度、異方性、選択性、均一性、アスペクト比、および基板損傷の最小限化などの利点がある。乾式除去プロセスの別の例は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）である。一般的に、ＲＩＥは化学反応性プラズマを使用してウェハに成膜した物質を除去する。ＲＩＥでは、プラズマは、電磁場によって低圧（真空）下で発生する。ＲＩＥプラズマからの高エネルギー・イオンがウェハ表面を攻撃し、それに反応して材料を除去する。

【0016】

半導体ドーピングは、例えば、トランジスタのソースやドレインをドーピングすることによる、一般的に、拡散によるまたはイオン注入によるあるいはその両方による電気的特性の変更であり得る。これらのドーピング・プロセスの後に、炉アニーリングまたは急速熱アニーリング（「ＲＴＡ」）が続く。アニーリングは、注入されたドーパントを活性化させる。導体（例えば、ポリシリコン、アルミニウム、銅など）と絶縁体（例えば、さまざまな形態の二酸化ケイ素、窒化ケイ素など）の両方の膜を使用して、トランジスタとそのコンポーネントとを接続したり分離したりする。半導体基板のさまざまな領域を選択的にドーピングすることで、電圧印加によって基板の伝導率を変化させることができる。これらのさまざまなコンポーネントの構造体を作ることで、何百万ものトランジスタを組み立てて配線し、現代のマイクロエレクトロニクス・デバイスの複雑な回路を形成することができる。

【0017】

半導体リソグラフィは、基板へのパターンのその後の転写のために、半導体基板上に３次元レリーフ画像またはパターンを形成することであり得る。半導体リソグラフィでは、パターンは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーによって形成される。トランジスタを構成する複雑な構造体と、回路の何百万ものトランジスタを接続する多くのワイヤを構築するために、リソグラフィステップとエッチング・パターン転写ステップは複数回繰り返される。ウェハにプリントされる各パターンは、以前に形成されたパターンと位置合わせされ、徐々に導体、絶縁体、および選択的にドープされた領域が構築されて最終デバイスが形成される。

【0018】

図１Ａは、多結晶構造のドープ層１０２を有するＰＣＭセル１００の断面図である。図１Ｂは、非晶質構造のゾーン１１６を含むドープ層１０２を有するＰＣＭセル１００の断面図である。図１Ｃは、非晶質構造のゾーン１１６を含むドープ層１０２と、非晶質構造のゾーン１１８を含む非ドープ層１０８－１とを有するＰＣＭセル１００の断面図である。図１Ａ～図１Ｃについては、相互に関連して説明する。

【0019】

図示する実施形態では、ＰＣＭセル１００は、ヒータ１０６、底部電極ヒータ１０６と接触している非ドープ層１０８－１、ドープ層１０８－１と接触しているドープ層１０２、ドープ層１０２と接触している非ドープ層１０８－２、および非ドープ層１０８－２と接触している電極１１０を備える。非ドープ層１０８－１、ドープ層１０２、非ドープ層１０８－２、および電極１１０の幅は同じであるが、ヒータ１０６の幅は比較的大幅に縮小されている。これにより、ＰＣＭセル１００は、電流がヒータ１０６から電極１１０に非ドープ層１０８－１、ドープ層１０２、および非ドープ層１０８－２を通って流れることができるマッシュルーム構造を有していると言える。

【0020】

ヒータ１０６および電極１１０は、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）である金属などの導電性材料で構成することができる。ヒータ１０６は、比較的狭い断面面積を有する電極で、ＰＣＭセル１００を流れる電流を集束させる。これにより、ヒータ１０６は、抵抗加熱によって熱を発生させることができ、この熱は、ＰＣＭセル１００（例えば、非ドープ層１０８－１やドープ層１０２）の温度を、例えば結晶化温度やドープ層１０２の融解温度よりも上に変更するために使用することができる。さらに、ヒータ１０６は、複数層に配置することができる複数の異なる導電性材料で構成することができる。

【0021】

非ドープ層１０８－１および１０８－２（総称して非ドープ層１０８）は、ゲルマニウム－アンチモン－テルル（ＧＳＴ）ガリウム－アンチモン－テルル（ＧａＳＴ）、または銀－イリジウム－アンチモン－テルル化物（ＡＩＳＴ）材料などの相変化材料で本質的にできていてよいが、他の材料を必要に応じて使用することができる。さらに、非ドープ層１０８－１および１０８－２の相変化材料は、いくつかの実施形態では同じであり、他の実施形態では異なる。異なる層の材料に関して本明細書で使用される「本質的に～でできている」および「本質的に～からなる」との用語は、他の材料が、存在する場合、引用された材料の基本的な特性を実質的に変更しないことを示している。例えば、本質的にＧＳＴ材料からなる層には、ＧＳＴ材料の基本的な特性を実質的に変更する他の材料は含まれない。したがって、層１０８－１および１０８－２は、非ドープ層とも呼ばれる。一方、ドープ層１０２は、相変化材料１１２と相分離ドーパント材料１１４との混合物であり得る。ドープ層１０２はまた、例えば、チタン－ＧＳＴ（ＴｉＧＳＴ）、ガリウム－ＧＳＴ（ＧａＧＳＴ）、シリコン－ＧＳＴ（ＳｉＧＳＴ）、またはビスマス－ＧＳＴ（ＢｉＧＳＴ）などの置換型または侵入型ドープ相変化材料であり得る。これは、これらの原子がＧＳＴに溶解するために隙間に置換／座ることができるためである。相変化材料１１２はＧＳＴ材料であり得る（ただし、必要に応じて、非ドープ層１０８と同じであっても異なっていてもよい他の材料を使用することもできる）。相分離ドーパント材料１１４は、１つもしくは複数の誘電体材料、またはＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、炭素（Ｃ）、窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、および窒化チタン（ＴｉＮ）などの低導電性金属であり得るが、必要に応じて他の材料を使用することもできる。相分離ドーパント材料１１４の粒子は、相変化材料１１２の粒子サイズを制限し、ドープ層１０２の抵抗を増加させるために「ナノ・オープン」（すなわち、電気抵抗が比較的高い局所領域）を提供することができる。また、いくつかの実施形態では、ドープ層１０２中の相分離ドーパント材料１１４の量は体積比で少なくとも１０％である。

【0022】

図示する実施形態では、非ドープ層１０８はドープ層１０２よりも実質的に薄い（高さにおいて）。さらに、非ドープ層１０８－１および１０８－２の厚さは、いくつかの実施形態で同じであり、他の実施形態では異なる。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、ドープ層１０２の厚さの半分未満である。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、ドープ層１０２の厚さの８分の１未満である。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、ドープ層１０２の厚さの１６分の１未満である。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、ドープ層１０２の厚さの８０分の１未満である。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、０．２ナノメートル（ｎｍ）～１０ｎｍであり、ドープ層１０２の厚さは、２０ｎｍ～１００ｎｍである。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の厚さは、０．５ｎｍ～５ｎｍであり、ドープ層１０２の厚さは、４０ｎｍ～８０ｎｍである。

【0023】

いくつかの実施形態では、ＰＣＭセル１００の断面（図１Ａおよび図１Ｂのページの奥の方へ）を正方形にすることができるが、他の実施形態では、長方形または円形にすることができる。いくつかの実施形態では、ヒータ１０６の幅または直径は、２０ｎｍ～６０ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、ヒータ１０６の幅または直径は、約４０ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、ドープ層１０２、非ドープ層１０８、および電極１１０の幅または直径は、１００ｎｍ～３００ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、ドープ層１０２、非ドープ層１０８、および電極１１０の幅または直径は、約２００ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、ドープ層１０２、非ドープ層１０８、および電極１１０の幅または直径は、２００ｎｍよりも大きくなることがある。

【0024】

図示する実施形態では、ＰＣＭセル１００は、ヒータ１０６から電極１１０に電流を渡すことによってメモリセルとして動作させることができる。これは、ＰＣＭセル１００に対して値を読み書きするために、さまざまな電圧で行うことができる。例えば、書き込みには、高電圧（例えば、１ボルト（Ｖ）～４Ｖ）を短時間使用することができる。これにより、ヒータ１０６がドープ層１０２をその融点を超えて加熱することができる。電流の流れが止まると、ドープ層１０２は急速に冷却することができ、「リセット」と呼ばれるプロセスでゾーン１１６が形成される。ゾーン１１６は、ドープ層１０２のドーム型領域で、ゾーン１１６の内側の相変化材料１１２は非晶質構造になっているが、ゾーン１１６の外側の相変化材料１１２は依然として多結晶構造になっている。さらに、同様の「リセット」ゾーン１１８を、リセット電気パルスの電圧、電流、または持続時間あるいはその組み合わせに応じて、非ドープ層１０８－１に形成することができる。さらに、ゾーン１１８の直径は、ゾーン１１６よりも大きいか、同じであるか、または小さいことが可能である（が、図１Ｃでは大きいものとして示されている）。一般的に、この非晶質構成は明確な構造を有していない。しかし、ゾーン１１６またはゾーン１１８あるいはその両方には局所的に非接合の結晶核（すなわち、相変化材料１１２の小さな結晶化領域）が存在することがある。

【0025】

いくつかの実施形態では、ゾーン１１６は高さ４０ｎｍで、直径４０ｎｍであり得る。ゾーン１１６を作成することによって、ドープ層１０２の多結晶構造単独（図１Ａ参照）と比較して、ＰＣＭセル１００全体の電気抵抗を増加させることができる。この新しい抵抗値は、抵抗値を変更することなく、低電圧（例えば、０．２Ｖ）の電流を使用して読み取ることができる。

【0026】

また、ＰＣＭセル１００を再び書き込むために、ＰＣＭセル１００を「セット」することによって、相変化材料１１２を多結晶構造単独に戻すことができる。高電圧（例えば、１Ｖ～４Ｖ）を短時間（例えば、１０ナノ秒（ｎｓ））使用することができる。これにより、ヒータ１０６がドープ層１０２をその結晶化点を超えて加熱することができるが、その融点までは加熱しない。結晶化温度は融点よりも低いため、電流の流れが止まるとドープ層１０２はアニールして結晶を形成することができる。これにより、非晶質ゾーン１１６（図１Ｂ参照）またはゾーン１１８（図１Ｃ参照）あるいはその両方を有する場合と比較して、ＰＣＭセル１００全体の電気抵抗を低下させることができる。この新しい抵抗値は、抵抗値を変更することなく、低電圧（例えば、０．２Ｖ）の電流を使用して読み取ることができる。

【0027】

いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８とドープ層１０２の溶融温度（すなわち、相変化材料１１２と、相分離ドーパント材料１１４を有する相変化材料１１２との溶融温度）は約６００℃であり得る。いくつかの実施形態では、例えば相分離ドーパント材料１１４がＳｉＯ２であれば、ドープ層１０２の結晶化温度は約２２０℃であり得る。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８の結晶化温度は約１８０℃であり得る。さらに、ＰＣＭセル１００をセットし、リセットするプロセスは繰り返し行うことができる。いくつかの実施形態では、ドープ層１０２に異なる抵抗を有するさまざまなゾーン１１６を作成することができる（例えば、ゾーン１１６の結晶化核のサイズと量が異なるため）。これにより、リセット・パラメータを変更することでさまざまな異なる抵抗を作成できるため、ＰＣＭセル１００を非バイナリにすることができる。

【0028】

ドープ層１０２をセットし、リセットする機能は、ドープ層１０２とヒータ１０６／電極１１０との間に非ドープ層１０８を含めることで促進することができる。より具体的には、ドープ層１０２内の相分離ドーパント材料１１４は、相変化材料１１２を電気的に結晶化することができる時間および電圧条件を最小限に抑えることができる。これにより、非ドープ層１０８は、ヒータ１０６／電極１１０の低抵抗とドープ層１０２の高抵抗との間の遷移として機能することができ、電流をヒータ１０６の上面よりも広い領域に拡散させることができる。非ドープ層１０８は、ドープ層１０２よりもヒータ１０６／電極１１０とのオーム接触が良好であり得、ヒータ１０６との均質な接触により、非ドープ層１０８－１の低抵抗状態でのばらつきが少なくなる。さらに、非ドープ層１０８は、ドープ層１０２およびヒータ１０６／電極１１０とのオーム接触領域を均質化し、低抵抗状態分散を低減することができる。

【0029】

ＰＣＭセル１００のコンポーネントと構造は、アナログ・コンピューティング機能を提供する。例えば、ＰＣＭセル１００の可変抵抗を、アナログ重みの値に対応するようにセットすることができる。バイナリ・コンピューティングに適した高抵抗状態および低抵抗状態に関連付けられた１および０だけではなく、これらの重みは、アナログ抵抗値の連続体に存在し、人工知能計算や機械学習のためのニューラル・ネット内の人工シナプス重みとして使用することができる。ヒータ１０６／電極１１０とドープ層１０２との間に位置決めされた比較的薄い非ドープ層１０８は、ＰＣＭセル１００をセットし、リセットするのに使用できる電圧範囲を広げる。これは、ドープ層１０２のドーピング量が多い場合に重要である。そうしないと、ＰＣＭセル１００は、初めてリセットされた後にセットできない可能性があるためである。さらに、電圧範囲が広いため、ＰＣＭセル１００のメモリ・プログラミング機能の動作範囲が拡大し、抵抗状態の分布をより狭くすることができ、ＰＣＭセル１００のより信頼性の高い動作が可能になる。

【0030】

図１Ａ～図１Ｃには、代替案が存在する本開示の一実施形態が示されている。例えば、ドープ層１０２は、ドープ層１０２と同じ厚さの別の非ドープ層に置き換えることができる。このような実施形態では、厚い非ドープ層は、実質的に高い電気抵抗率を有する薄い非ドープ層１０８とは異なる材料であり得る。いくつかの実施形態では、非ドープ層１０８が本質的にアンチモン・テルル化物（Ｓｂ２Ｔｅ３）からなる場合、厚い非ドープ層は本質的にＧＳＴ２２５（すなわち、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５）からなることが可能である。結晶構造の場合、Ｓｂ２Ｔｅ３は約０．０００５オーム＊ｃｍの抵抗率を有し、ＧＳＴ２２５は約０．００３オーム＊ｃｍの抵抗率を有する。これは、結晶構造の場合、約１オーム＊ｃｍの抵抗率を有することができ、本質的にＧＳＴ２２５からなる非ドープ層１０８とともに使用することができるドープ層１０２とは対照的である。ドープ層１０２／厚い非ドープ層および非ドープ層１０８の抵抗率は、結晶構造や非晶質構造の変化に伴って変化することができるが、一般的には、厚い非ドープ層の抵抗率は非ドープ層１０８の抵抗率よりも２～１０００倍大きいことが可能である。いくつかの実施形態では、厚い非ドープ層の抵抗率は、非ドープ層１０８の抵抗率よりも８～７５０倍大きいことが可能である。いくつかの実施形態では、厚い非ドープ層の抵抗率は、非ドープ層１０８の抵抗率よりも１０～５００倍大きいことが可能である。

【0031】

別の例では、非ドープ層１０８の一方または両方を、それぞれ非ドープ層１０８と同じくらい薄い別のドープ層に置き換えることができる。このような実施形態では、薄いドープ層は、実質的に低い電気抵抗率を有する厚いドープ層１０２とは異なる材料であり得る。低い抵抗率をもたらすドーパントには、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、および銀（Ａｇ）などがある。これらのドーパントは、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、Ｃ、Ｔａ３Ｎ５、ＡｌＮ、およびＴｉＮなどの高い抵抗率をもたらすドーパントとは対照的である。したがって、いくつかの実施形態では、ドープ層１０２がＳｉＯ２：ＧＳＴを含む場合、薄いドープ層はＴｉＧＳＴを含むことができる。

【0032】

図２Ａ～図２Ｆは、それぞれ代替実施形態のＰＣＭセル２００Ａ～２００Ｅ（総称してＰＣＭセル２００）の断面図である。ＰＣＭセル２００は、特定の態様ではＰＣＭセル１００（図１に示す）と類似しているか、または同じであり得る。したがって、これらの態様のうちのいくつかは、ＰＣＭセル１００の参照番号よりも１００大きい参照番号を有している場合がある。

【0033】

図２Ａに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－１は、ヒータ２０６とドープ層２０２との間に位置決めされた単一の薄い非ドープ層２０８－１を含む。図２Ｂに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－２は、ドープ層２０２と電極２１０との間に位置決めされた単一の薄い非ドープ層２０８－２を含む。ＰＣＭセル２００－１および２００－２は、ＰＣＭセル１００よりも非ドープ層が少ないが、非ドープ層２０８－１および２０８－２の機能および目的は、非ドープ層１０８と同じであり得る。

【0034】

図２Ｃに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－３は、ヒータ２０６と非ドープ層２０８－３との間に位置決めされたプロジェクション・ライナー２１８－１を含み、非ドープ層２０８－３はドープ層２０２とも接触している。図２Ｄに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－４は、ヒータ２０６とドープ層２０２との間に位置決めされたプロジェクション・ライナー２１８－２を含み、非ドープ層２０８－４は、ドープ層２０２と電極２１０との間に位置決めされている。図２Ｅに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－５は、ヒータ２０６と非ドープ層２０８－５との間に位置決めされたプロジェクション・ライナー２１８－３を含み、非ドープ層２０８－５はドープ層２０２とも接触している。さらに、ＰＣＭセル２００－５は、ドープ層２０２と電極２１０との間に位置決めされた第２の非ドープ層２０８－６を含む。図２Ｆに図示する実施形態では、ＰＣＭセル２００－６は、ヒータ２０６とプロジェクション・ライナー２１８－４との間に位置決めされた非ドープ層２０８－７を含み、プロジェクション・ライナー２１８－４はドープ層２０２とも接触している。

【0035】

プロジェクション・ライナー２１８－１、２１８－２、および２１８－３（総称してプロジェクション・ライナー２１８）は、それぞれ非ドープ層２０８－３、ドープ層２０２、および非ドープ層２０８－５の全幅にわたって延在することができる。プロジェクション・ライナー２１８は、金属または半導体材料あるいはその両方で構成することができる。これにより、プロジェクション・ライナー２１８は、ＰＣＭセル２００－３、２００－４、および２００－５がリセットされたときに、一定量の電気抵抗を提供し、ゾーン１１６（図１に示す）の周囲に並列電流路を作成することができる。

【0036】

図３Ａ～図３Ｃは、それぞれ代替実施形態のＰＣＭセル３００－１、３００－２、および３００－３（総称してＰＣＭセル３００）の断面図である。ＰＣＭセル３００は、特定の態様ではＰＣＭセル１００（図１Ａおよび図１Ｂに示す）または２００（図２Ａ～図２Ｅに示す）と類似しているか、または同じであり得る。したがって、これらの態様のうちのいくつかは、ＰＣＭセル１００の参照番号よりも２００大きい、またはＰＣＭセル２００の参照番号よりも１００大きい参照番号を有している場合がある。

【0037】

図３Ａに図示する実施形態では、ＰＣＭセル３００－１は、電極３０６および３１０を含み、絶縁体３２０が電極３０６と３１０との間に、かつそれらと同一平面に位置決めされている。絶縁体３２０は、例えば、低誘電率材料、ＳｉＯ２、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、およびフッ素化オルトケイ酸テトラエチル（ＦＴＥＯＳ）などの電気絶縁性材料で構成することができる。さらに、非ドープ層３０８－１が電極３０６の上部の幅全体に延在し、非ドープ層３０８－２が電極３１０の上部の幅全体に延在している。非ドープ層３０８－１および３０８－２（集合的に非ドープ層３０８）ならびに絶縁体３２０の長さ全体に沿ってドープ層３０２が延在している。

【0038】

電流は、ＰＣＭセル３００－１に流されると、電極３０６から電極３１０へ、非ドープ層３０８－１、ドープ層３０２、および非ドープ層３０８－２を介して移動する。したがって、ＰＣＭセル３００－１にはブリッジ構造がある。（図１Ａおよび図１Ｂに示す）ＰＣＭセル１００と同様に、非ドープ層３０８は、ＰＣＭセル１００と同じ比率または寸法あるいはその両方を有することができるドープ層３０２の厚さと比較して薄い。いくつかの実施形態では、ドープ層３０２の高さは、５ｎｍ～３０ｎｍである。いくつかの実施形態では、ＰＣＭセル３００－１の深さ（すなわち、図２Ａのページの奥の方への寸法）は、１００ｎｍ～８００ｎｍである。しかしながら、いくつかの実施形態では、ドープ層３０２は、真ん中で深さが１０ｎｍ～５０ｎｍに浅くされたドッグ・ボーンまたはボウタイの形状をしている。ＰＣＭセル３００－１は、ＰＣＭセル１００とは異なる非ドープ層３０８の構造を有しているが、非ドープ層３０８の機能および目的は、非ドープ層１０８と同じであり得る。

【0039】

図３Ｂに図示する実施形態では、ＰＣＭセル３００－２は、電極３０６および３１０ならびに絶縁体３２０の長さ全体にわたって延在している単一の薄い非ドープ層３０８－３を含む。これにより、ドープ層３０２は、非ドープ層３０８－３の長さ全体に沿って延在している。電流は、ＰＣＭセル３００－２を流されると、電極３０６から電極３１０へ、非ドープ層３０８－３およびドープ層３０２を介して移動する（そうすることで、ドープ層３０２を移動する電流は、非ドープ層３０８－３を２回横断する）。

【0040】

図３Ｃに図示する実施形態では、ＰＣＭセル３００－３は、電極３０６および３１０ならびに絶縁体３２０の長さ全体にわたって延在するプロジェクション・ライナー３１８を含む。これにより、非ドープ層３０８－４はプロジェクション・ライナー３１８の長さ全体に沿って延在し、ドープ層３０２は非ドープ層３０８－４の長さ全体に沿って延在している。電流は、ＰＣＭセル３００－２を流されると、電極３０６から電極３１０へ、プロジェクション・ライナー３１８、非ドープ層３０８－４、およびドープ層３０２を介して移動する（そうすることで、非ドープ層３０８－４を移動する電流は、プロジェクション・ライナー３１８を２回横断し、ドープ層３０２を移動する電流は、ドープ層３０８－４およびプロジェクション・ライナー３１８を２回横断する）。ＰＣＭセル３００－３は、ＰＣＭセル２００－３、２００－４、および２００－５とは異なるプロジェクション・ライナー３１８の構造を有しているが、プロジェクション・ライナー３１８の機能および目的は、プロジェクション・ライナー２１８と同じであり得る。

【0041】

図４は、代替実施形態のＰＣＭセル４００の断面図である。ＰＣＭセル４００は、特定の態様では（図１Ａおよび図１Ｂに示す）ＰＣＭセル１００、（図２Ａ～図２Ｅに示す）ＰＣＭセル２００、または（図３Ａ～図３Ｃに示す）ＰＣＭセル３００と類似しているか、または同じであり得る。したがって、これらの態様のうちのいくつかは、ＰＣＭセル１００の参照番号よりも３００大きい、ＰＣＭセル２００の参照番号よりも２００大きい、およびＰＣＭセル３００の参照番号よりも１００大きい参照番号を有している場合がある。

【0042】

図示する実施形態では、電極４０６、非ドープ層４０８－１、ドープ層４０２、非ドープ層４０８－２、および電極４１０の各々の直径は同じ（例えば、約４０ｎｍ）である。したがって、ＰＣＭセル４００にはピラー構造がある。ＰＣＭセル４００は、各層（すなわち、電極４０６、非ドープ層４０８－１、ドープ層４０２、非ドープ層４０８－２、および電極４１０）を形成（例えば、成膜）して、それらをエッチングしてピラーにすることによって作ることができる。

【0043】

さらに、ＰＣＭセル４００は、電極４０６の下にセレクタ４２２を含む。セレクタ４２２は、炭素層４２４－１、炭素層４２４－１と接触しているオボニック閾値スイッチ層４２６、およびオボニック閾値スイッチ層４２６と電極４０６とに接触している炭素層４２４－２を備えている。しかし、当業者であれば、セレクタ４２２以外にＰＣＭセル４００に採用できる他のセレクタがあることを認識するであろう。

【0044】

図５Ａ～図５Ｇは、代替実施形態のＰＣＭセル５００－１、５００－２、５００－３、５００－４、５００－５、５００－６、および５００－７（総称してＰＣＭセル５００）の断面図である。ＰＣＭセル５００は、特定の態様では（図１Ａおよび図１Ｂに示す）ＰＣＭセル１００、（図２Ａ～図２Ｅに示す）ＰＣＭセル２００、（図３Ａ～図３Ｃに示す）ＰＣＭセル３００、または（図４に示す）ＰＣＭ４００と類似しているか、または同じであり得る。したがって、これらの態様のうちのいくつかは、ＰＣＭセル１００の参照番号よりも４００大きい、ＰＣＭセル２００の参照番号よりも３０００大きい、ＰＣＭセル３００の参照番号よりも２００大きい、またはＰＣＭセル４００の参照番号よりも１００大きい参照番号を有している場合がある。

【0045】

図５Ａに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－１は、電極５０６、ドープ層５０２－１、非ドープ層５０８－１、電極５１０、および絶縁体５２０を備える。ドープ層５０２－１は、電極５０６および非ドープ層５０８－１よりも実質的に狭いため、絶縁体５２０は電極５０６および非ドープ層５０８－１のプロジェクション内のドープ層５０２－１の周囲の空間を占有するように位置決めされている。したがって、ＰＣＭセル５００－１には閉じ込められたピラー構造がある。

【0046】

（図４に示す）ＰＣＭセル４００とは異なり、ＰＣＭセル５００－１は、電極５０６と絶縁体５２０とを形成（例えば、成膜）することによって作ることができる。次に、絶縁体５２０に孔またはビア・チャネル（すなわち、止まり孔）を形成（例えば、エッチング）し、その中にドープ層５０２－１を形成（例えば、成膜および研磨）することができる。次に、ドープ層５０２－１および絶縁体５２０の上に、非ドープ層５０８－１を形成（例えば、成膜）することができる。次に、非ドープ層５０８－１の上に電極５１０を形成（例えば、成膜）することができる。

【0047】

図５Ｂに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－２は、非ドープ層５０８－１と比較して短い非ドープ層５０８－２を含む。ただし、非ドープ層５０８－２がドープ層５０２－２の上部全体に延在していることを考えると、非ドープ層５０８－２の機能および目的は同じであり得る。ドープ層５０２－２は、絶縁体５２０によって囲まれているため、電極５０６から電極５１０に流れる電流は、非ドープ層５０８－２を依然として通過する。

【0048】

図５Ｃに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－３は、ドープ層５０２－３の底部に短い非ドープ層５０８－３を含む。したがって、ＰＣＭセル５００－３は、電極５０６と絶縁体５２０を形成（例えば、成膜）することによって作ることができる。次に、絶縁体５２０に孔またはビア・チャネルを形成（例えば、エッチング）し、その中に非ドープ層５０８－３を形成（例えば、成膜）することができる。次に、非ドープ層５０８－３の上にドープ層５０２－３を形成（例えば、成膜および研磨）することができる。次に、ドープ層５０２－３および絶縁体５２０の上に電極５１０を形成（例えば、成膜）することができる。

【0049】

図５Ｄに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－４は、ドープ層５０２－４の下に全幅の非ドープ層５０８－４を含む。したがって、ＰＣＭセル５００－４は、電極５０６、非ドープ層５０８－４、および絶縁体５２０を形成（例えば、成膜）することによって作ることができる。次に、絶縁体５２０内に、非ドープ層５０８－４まで下に延在する孔またはビア・チャネルを形成（例えば、エッチング）することができる。次に、非ドープ層５０８－４の上にドープ層５０２－４を形成（例えば、成膜および研磨）することができる。次に、ドープ層５０２－４および絶縁体５２０の上に電極５１０を形成（例えば、成膜）することができる。

【0050】

図５Ｅに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－５は、ドープ層５０２－５の両端に２つの非ドープ層５０８－５および５０８－６を含む。非ドープ層５０８－５はドープ層５０２－５の幅にすぎないが、非ドープ層５０８－６は電極５１０の全幅である。図５Ｆに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－６は、ドープ層５０２－６の両端に２つの非ドープ層５０８－７および５０８－８を含む。非ドープ層５０８－７は電極５０６の全幅であるが、非ドープ層５０８－８はドープ層５０２－６の幅にすぎない。図５Ｇに図示する実施形態では、ＰＣＭセル５００－７は、ドープ層５０２－６の側部および底部に沿って延在する非ドープ層５０８－９を含む。

【0051】

いくつかの模範的な実施形態のさらなる議論
以下は、本開示のいくつかの模範的な実施形態を非排他的に説明したものである。

【0052】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第１の相変化材料で構成された第１の相変化層と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、第２の相変化材料で構成された第２の相変化層と、を含み、第１の相変化材料は、第１の抵抗率を有し、第２の相変化材料は、第２の抵抗率を有し、第１の抵抗率は、第２の抵抗率の少なくとも２倍である。

【0053】

前段落のＰＣＭセルは、任意選択で、追加的にまたは代替的にあるいはその両方で、次の特徴、構造、または追加のコンポーネントあるいはその組み合わせのいずれか１つまたは複数を含むことができる。

【0054】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第１の相変化層および第２の電極と接触している第３の相変化層であって、第３の相変化材料で構成されている、上記第３の相変化層をさらに備え、第３の相変化材料は、第３の抵抗率を有し、第１の抵抗率は、第３の抵抗率の少なくとも２倍である。

【0055】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第３の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む。

【0056】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む。

【0057】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第２の相変化材料でできている。

【0058】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第１の電極および第２の電極と接触している。

【0059】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされ、半導体材料で構成されたプロジェクション・ライナーをさらに備える。

【0060】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、プロジェクション・ライナーは、第１の電極および第２の相変化層と接触している。

【0061】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた第１の相変化層であって、第１の厚さを有し、第１の相変化材料で構成されている、上記第１の相変化層と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた第２の相変化層であって、第２の厚さを有し、第２の相変化材料で構成されている、上記第２の相変化層と、を含み、第２の厚さは、第１の厚さの４分の１未満である。

【0062】

【0063】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第１の相変化層および第２の電極と接触している第３の相変化層であって、第３の厚さを有し、第３の相変化材料で構成されている、上記第３の相変化層をさらに備え、第３の厚さは、第１の厚さの４分の１未満である。

【0064】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第３の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む。

【0065】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の相変化層はさらに、ドーパント材料を含む。

【0066】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、ドープされていない第２の相変化材料で本質的にできている。

【0067】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の相変化層は、第１の抵抗率を有し、第２の相変化層は、第２の抵抗率を有し、第１の抵抗率は、第２の抵抗率の少なくとも２倍である。

【0068】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第１の電極および第２の電極と接触している。

【0069】

【0070】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、プロジェクション・ライナーは、第１の電極および第２の相変化層と接触している。

【0071】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成された第１の相変化層であって、第１の厚さを有する、上記第１の相変化層と、第１の相変化層と、第１の電極および第２の電極のうちの一方のみと接触している第２の相変化層であって、第２の厚さを有し、ドープされていない第２の相変化材料で本質的にできている、上記第２の相変化層と、を含み、第２の厚さは、第１の厚さの半分未満である。

【0072】

【0073】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第１の相変化層および第１の電極と接触している。ＰＣＭセルはさらに、第１の相変化層および第２の電極と接触している第３の相変化層であって、第３の厚さを有し、ドープされていない第３の相変化材料で構成されている、上記第３の相変化層を備え、第３の厚さは、第１の厚さの半分未満である。

【0074】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、ドーパント材料は誘電体材料である。

【0075】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、ドーパント材料は、チタン、ガリウム、シリコン、および窒素からなる群から選択される。

【0076】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化材料は、本質的にゲルマニウム、アンチモン、およびテルルからなる。

【0077】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の電極、第２の電極、第１の相変化層、および第２の相変化層は、一定の断面積を有するカラムを形成する。

【0078】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の電極に接続されたセレクタであって、オボニック閾値スイッチを含む、上記セレクタをさらに備える。

【0079】

数ある中でも、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされたドープ相変化層と、ドープ相変化層ならびに第１の電極および第２の電極のうちの１つと接触している第１の非ドープ相変化層と、を含む、本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルを使用する方法であって、本開示の模範的な実施形態による方法は、数ある中でも、ドープ相変化層に非晶質構造を有する第１の非晶質ゾーンを作成するために、第１の電極から、第１の非ドープ相変化層を介して第２の電極に第１の電流を流すことと、第１の非晶質ゾーンを介する第１の電極と第２の電極との間の第１の電気抵抗を測定することと、多結晶構造を有するように第１の非晶質ゾーンをアニールするために、第１の電極から、非ドープ相変化層を介して第２の電極に第２の電流を流すことと、を含む。

【0080】

前段落の方法は、任意選択で、追加的にまたは代替的にあるいはその両方で、次の特徴、構造、または追加のコンポーネントあるいはその組み合わせのいずれか１つまたは複数を含むことができる。

【0081】

上記の方法のさらなる実施形態であって、第１の非晶質ゾーンのアニーリングの後に、第１の電極と第２の電極との間の第２の電気抵抗を測定することをさらに含み、第２の電気抵抗は、第１の電気抵抗未満である。

【0082】

上記の方法のいずれかのさらなる実施形態であって、ドープ相変化層に非晶質構造を有する第２の非晶質ゾーンを作成するために、第１の電極から、第１の非ドープ相変化層を介して第２の電極に第３の電流を流すことをさらに含む。

【0083】

上記の方法のいずれかのさらなる実施形態であって、第１の電流は、最初に第１の非ドープ相変化層を通過し、次にドープ相変化層を通過する。

【0084】

上記方法のいずれかのさらなる実施形態であって、ＰＣＭセルはさらに、ドープ相変化層と接触している第２の非ドープ相変化層を備え、第１の電流は、最初に第１の非ドープ相変化層を通過し、次にドープ相変化層を通過し、次に第２の非ドープ相変化層を通過する。

【0085】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の導電性材料で構成されて、第１の幅を有する第１の電極と、第２の導電性材料で構成されて、第２の幅を有する第２の電極と、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成された第１の相変化層であって、第１の厚さを有する、上記第１の相変化層と、第１の相変化層と、第１の電極および第２の電極のうちの一方との間に位置決めされた第２の相変化層であって、第２の相変化材料で本質的にできており、第２の厚さを有する、上記第２の相変化層と、を含み、第１の電極は、第１の相変化材料の結晶化温度を少なくとも上回る温度に第１の相変化層を加熱するように構成されている。

【0086】

【0087】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第１の幅は第２の幅の半分未満であり、第２の厚さは第１の厚さの半分未満である。

【0088】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の厚さは２０ナノメートル（ｎｍ）～１００ｎｍであり、第２の厚さは０．２ｎｍ～１０ｎｍである。

【0089】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の幅は２０ｎｍ～６０ｎｍであり、第２の幅は１００ｎｍ～３００ｎｍである。

【0090】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第１の電極と接触しており、第１の相変化材料および第２の相変化材料は、同じであり、本質的にゲルマニウム、アンチモン、およびテルルからなる。

【0091】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の導電性材料で構成された第１の電極と、第２の導電性材料で構成された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされた、電気絶縁性材料で構成された絶縁体と、第１の電極および第２の電極、ならびに絶縁体に沿って位置決めされた第１の相変化層であって、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成されて、第１の厚さを有する、上記第１の相変化層と、第１の相変化層と接触しており、第１の電極と第２の電極との間の電気路内にある第２の相変化層であって、本質的に第２の相変化材料からなり、第２の厚さを有する、上記第２の相変化層と、を含み、第２の厚さは、第１の厚さの半分未満である。

【0092】

【0093】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第１の厚さは２０ナノメートル（ｎｍ）～１００ｎｍであり、第２の厚さは０．２ｎｍ～１０ｎｍである。

【0094】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の厚さは４０ｎｍ～８０ｎｍであり、第２の厚さは０．５ｎｍ～５ｎｍである。

【0095】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第２の相変化層は、第２の部分から分離された第１の部分を含み、第１の部分は、第１の電極と接触しており、かつ第１の電極に沿って延在し、第２の部分は、第２の電極と接触しており、かつ第２の電極に沿って延在し、第１の相変化層は、第１の部分、絶縁体、および第２の部分と接触しており、かつ第１の部分、絶縁体、および第２の部分に沿って延在している。

【0096】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、第１の電極、絶縁体、および第２の電極と接触しており、かつ第１の電極、絶縁体、および第２の電極に沿って延在するプロジェクション・ライナーであって、金属材料および半導体材料からなる群から選択された材料で構成されている、上記プロジェクション・ライナーをさらに備え、第２の相変化層は、プロジェクション・ライナー全体と接触しており、かつプロジェクション・ライナー全体に沿って延在し、第１の相変化層は、第２の相変化層全体と接触しており、かつ第２の相変化層全体に沿って延在している。

【0097】

本開示の模範的な実施形態によるＰＣＭセルは、数ある中でも、第１の電極と、第２の電極と、第１の相変化材料とドーパント材料との混合物で構成されたピラーであって、第１の高さを有する、上記ピラーと、ピラーを取り囲む絶縁体であって、電気絶縁性材料を含む、上記絶縁体と、本質的に第２の相変化材料からなる層であって、ピラーと接触しており、ピラーの側部全体に沿って延在し、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つと接触しており、第２の高さを有する、上記層と、を含み、第２の厚さは、第１の厚さの半分未満である。

【0098】

【0099】

上記のＰＣＭセルのさらなる実施形態であって、第１の高さは２０ナノメートル（ｎｍ）～１００ｎｍであり、第２の高さは０．２ｎｍ～１０ｎｍである。

【0100】

上記のＰＣＭセルのいずれかのさらなる実施形態であって、層は、第１の電極および第２の電極と接触している。

【0101】

【0102】

本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示のために提示されたものであるが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定されることを意図したものではない。説明された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかであろう。本明細書で使用されている用語は、実施形態の原理、市場で見られる技術に対する実用的な適用または技術的改善を最もよく説明するために、または当業者が本明細書で開示されている実施形態を理解できるようにするために選択されたものである。

【図1A】