相變材料、製造和操作其的方法和相變隨機存取存儲器的製作方法
2023-06-02 20:45:06
專利名稱：相變材料、製造和操作其的方法和相變隨機存取存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體存儲器件，更具體地，涉及一種相變材料、包含該相變材料的相變隨機存取存儲器(PRAM)以及製造和操作該存儲器的方法。
背景技術：
在PRAM中，根據溫度存儲數據的相變層變成晶體或非晶。當相變層是晶體的時候，PRAM具有低電阻。相反，當相變層是非晶的時候，PRAM具有高電阻。PRAM是一種非易失性存儲器件，其利用根據相態的相變層的電阻不同在從相變層上寫入位數據或從相變層讀取位數據。
常規的PRAM問題在於，為了將相變層變成非晶需要高復位電流I復位。
由於半導體技術的發展，通過減小包含相變層的電晶體和存儲節點的尺寸來增加PRAM的集成水平並不困難。
然而，當電晶體尺寸減小時，電晶體的最大允許電流也減小了。因此，在不減小復位電流的情況下增加PRAM的集成水平是困難的。
而且，由於常規的PRAM具有低的結晶溫度，容易受周圍環境影響。這降低了常規PRAM的可靠性和記憶特性。
發明內容
本發明提供一種具有低非晶(或熔化)溫度Tm和高結晶溫度Tx的相變材料。
本發明還提供一種包括上述相變材料的PRAM，由此該PRAM具有低的復位電流和提高的記憶特性。
本發明還提供一種操作上述PRAM的方法。
本發明還提供一種製造上述PRAM的方法。
根據本發明的一個方面，提供一種相變材料，其包括結晶溫度和非晶溫度彼此不同的第一材料；和均勻分布在第一材料上的絕緣雜質。
絕緣雜質可均勻分布在第一材料整個區域的上，或僅在第一材料部分區域上。絕緣雜質可以是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。絕緣雜質的含量可以小於第一材料體積的10％。絕緣雜質可位於第一材料中的空位或間隙位置。
根據本發明的另一個方面，提供一種PRAM(相變隨機存取存儲器)，其包括開關器件；連接到開關器件的下電極；形成在下電極上的下電極接觸層；形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區域接觸下電極接觸層的上表面；和形成在相變層上的上電極，其中相變層包括均勻分布的絕緣雜質。
絕緣雜質可均勻分布在相變層的整個區域上。
絕緣雜質可僅均勻分布在發生相變的相變層的部分區域上。
絕緣雜質是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。
絕緣雜質的含量可少於相變層體積的10％。
下電極接觸層可由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負塞貝克係數、比TiN或TiAlN低的熱導率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
下電極接觸層可以是選自摻雜的TiN層、TiAlN層、n型SiGe層、n型PbTe層、n型多晶矽層和鈷矽層組成的一種。
可進一步在下電極接觸層的周圍設置間隔物。
下電極接觸層填充接觸孔的一部分中，相變層填充在接觸孔的剩餘部分中。
根據本發明的另一方面，提供一種PRAM(相變隨機存取存儲器)，其包括開關器件；連接到開關器件的下電極；覆蓋開關器件和下電極的層間絕緣層；形成在層間絕緣層內的第一接觸孔，以暴露下電極；填充第一接觸孔的第一下電極接觸層；形成在層間絕緣層上的第二下電極接觸層，以覆蓋第一下電極接觸層；形成在第二下電極接觸層上的絕緣層，絕緣層包括形成在其中的第二接觸孔，以暴露第二下電極接觸層；形成在絕緣層上表面上的相變層，以填充第二接觸孔；和形成在相變層上的上電極，其中相變層包括均勻分布的絕緣雜質。
絕緣雜質均勻分布在相變層的整個區域上。
根據本發明的另一方面，提供一種操作PRAM(相變隨機存取存儲器)的方法，該PRAM包括開關器件，連接到開關器件的下電極，形成在下電極上的下電極接觸層，形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區域接觸下電極接觸層的上表面，和形成在相變層上的上電極，相變層包括均勻分布的絕緣雜質，該方法包括施加流過相變層和下電極接觸層的復位電流，以將接觸下電極接觸層的相變層的一部分變成非晶態。
下電極接觸層可填充接觸孔的一部分，相變層填充接觸孔的剩餘部分。
在復位電流施加到PRAM上之後，可以用比復位電流的施加時間更長的時間施加流過相變層和下電極接觸層的置位電流。
絕緣雜質可分布在相變層整個區域上。
相變層可以是T形的，下電極接觸層可包括連接到開關器件的第一下電極接觸層；和連接T形的相變層和第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
下電極接觸層的側表面可用間隔物覆蓋。
根據本發明的另一方面，提供一種製造PRAM(相變隨機存取存儲器)的方法，該PRAM包括形成在襯底處的開關器件，連接到開關器件的下電極，形成在下電極上的下電極接觸層，形成在下電極接觸層上的相變層，相變層下表面的部分區域接觸下電極接觸層的上表面，和形成在相變層上的上電極，相變層包括均勻分布的絕緣雜質，該方法包括通過在其中形成了下電極接觸層所得到的結構的上表面上形成混合材料，來形成包括均勻分布的絕緣雜質的相變層，該混合材料通過均勻地混合除絕緣雜質之外的相變層的組成材料和絕緣雜質的材料而形成。
可通過同時濺射包括一部分的組成材料的靶和包括剩餘部分的組成材料的另一個靶來形成除絕緣雜質以外的相變層的組成材料。
絕緣雜質的材料可通過濺射包括絕緣雜質的靶形成。
電能可施加到包括絕緣雜質的靶上，從而絕緣雜質含量小於相變層體積的10％，電能根據環境來變化。
施加到包括絕緣雜質的靶的電能可以是30-500W。
絕緣雜質可以是SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3的至少一種。
相變層可形成T形，且下電極接觸層可以被形成以包括連接到開關器件的第一下電極接觸層；和連接T形相變層和第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
下電極接觸層的側表面可由間隔物覆蓋。
下電極接觸層可填充接觸孔的一部分，相變層可填充接觸孔的剩餘部分。
根據本發明，由於均勻分布在相變層上的絕緣雜質，該PRAM的結晶溫度Tm減小了而非晶溫度Tx增加。從而，PRAM的復位電流減小了。因此，根據減小的復位電流可以減小電晶體的尺寸。而且，由於結晶溫度的增加，能夠提高PRAM的保持特性。
通過參考附圖詳細描述本發明的示範性實施例，本發明的上述和其它特徵以及優點將變得更加顯而易見，其中圖1是根據本發明一個實施例的PRAM的截面圖；圖2是示出圖1中下電極接觸層的部分區域P1的放大截面圖；圖3是示出接觸孔的上部部分填充有延伸到圖1中下電極接觸層的上部部分的相變層的情況的截面圖；圖4是根據本發明另一實施例的PRAM的截面圖；圖5到12是示出進行測量根據本發明實施例的PRAM的物理特性的實驗結果的曲線圖；圖13是示出圖1中PRAM的下電極接觸層的改進的截面圖；圖14和15是示出根據本發明實施例的PRAM的製造方法的截面圖；和圖16是示出根據本發明實施例的PRAM的操作方法的截面圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了該發明的示範性實施例。在各圖中，為了清楚放大了層和區域的厚度。
圖1是根據本發明一個實施例的PRAM的截面圖。現在將該PRAM稱為第一PRAM。相變材料與第一PRAM的相變層完全一致，由此它的描述將用下面關於相變層的描述所代替。
參考圖1，第一PRAM包括襯底40。在襯底40上形成用預定的導電雜質(例如，n型雜質)摻雜的第一和第二雜質區域S1和D1，以預定的距離彼此隔離開。襯底40可以是p型矽襯底。第一和第二雜質區域S1和D1可以具有各種形狀。第一和第二雜質區域S1和D1中的一個可以是源區，另一個可以是漏區。在第一和第二雜質區域S1和D1之間的襯底40上形成柵絕緣層42，在柵絕緣層42上形成柵44。襯底40、第一和第二雜質區域S1和D1以及柵44組成場效應電晶體。該場效應電晶體可以用PN結二極體代替。
其後，在襯底40上形成第一層間絕緣層46以覆蓋該電晶體。在第一層間絕緣層46中形成接觸孔48以暴露第一雜質區域S1。可選地，可形成接觸孔48穿過第一層間絕緣層46，以暴露第二雜質區域D1而不是第一雜質區域S1。用導電插塞50填充接觸孔48。在第一層間絕緣層46上形成下電極52，以覆蓋導電插塞50的暴露的上表面。下電極52也用作襯墊層。第二層間絕緣層54形成在第一層間絕緣層46上，以覆蓋下電極52，並形成穿過第二層間絕緣層54的接觸孔56，以暴露下電極52的上表面。第二層間絕緣層54可用與第一層間絕緣層46相同的材料形成。用下電極接觸層58填充接觸孔56。下電極接觸層58可由具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負塞貝克係數、比TiN或TiAlN低的熱導率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。在第二層間絕緣層54上形成相變層60，以覆蓋下電極接觸層58的暴露的上表面。相變層60包括結晶或非晶(熔化)溫度彼此不同的第一材料。第一材料包括空位和間隙位置。相變層60進一步包括絕緣雜質60p，以及第一材料。絕緣雜質60p可均勻分布在第一材料的整個或部分區域上。在這一點上，絕緣雜質60p可放置在空位或間隙位置。例如，相變層60的第一材料可以是GST(Ge2Sb2Te5)。絕緣雜質60p可以以粒子、分子或原子態存在。絕緣雜質60p可以是選自由氧化矽(SiOX；X＝1～4)、氮化矽(SiN，Si3N4)、氧化鈦(TiOX，X＝1～4)和氧化鋁(AlO，Al2O3)組成的組中的一種。氧化矽(SiOX)可以是SiO2或SiO4。氧化鈦(TiOX)可以是TiO2。絕緣雜質60p的含量可小於相變層60的體積的10％，並且它們的最佳含量可根據它們的類型在上面的範圍內變化。例如，當絕緣雜質60p是SiO2時，它們的含量大約可以是體積的6％。在相變層60上形成上電極62。上電極62可以是氮化鈦(TiN)電極或氮化鋁鈦(TiAlN)電極。
圖2是示出圖1中下電極接觸層58的部分區域P1的放大截面圖。
如圖2所示，在下電極接觸層58和第二層間絕緣層54之間形成間隔物70。提供間隔物70以便減小接觸孔56的尺寸。根據下電極接觸層58的材料，間隔物70可由選自由SiN、SiO2、Al2O3和SiON組成的組的任意材料形成。
圖3是示出接觸孔56的上部填充有延伸到圖1中下電極接觸層58的上部的相變層60的情況的截面圖。
即，如圖3所示，接觸孔56的大部分可用下電極接觸層58填充，剩餘部分可用相變層60填充。
圖4是根據本發明另一實施例的PRAM的截面圖。現在將該PRAM稱為第二PRAM。第二PRAM的特徵在於絕緣雜質60p均勻地分布在相變層60的部分區域上。
參考圖4，絕緣雜質60p沒有分布在相變層60的整個區域上，而是僅均勻地分布在相變層60的部分區域A1上，其中部分區域A1接觸下電極接觸層58，相變實際上發生在部分區域A1中。
本發明人對第一和第二PRAM進行了測試，以便驗證絕緣雜質60p是否均勻分布在相變層60中和相應的影響。
為了驗證絕緣雜質60p是否存在於相變層60中，本發明人製造了具有不同含量絕緣雜質60p的第一到第三測試PRAM。在測試中，GST層用作相變層60，SiO2用作絕緣雜質60p。
第一測試PRAM的相變層是通過濺射沉積工藝形成，在該工藝中將60-W電能施加到從其中發射絕緣雜質60p的SiO2靶上。第二測試PRAM的相變層是通過向SiO2靶施加100-W電能形成的，第三測試PRAM的相變層是通過向SiO2靶施加120-W電能形成的。
圖5到12是示出上面測試結果的曲線圖。
圖5到7分別示出了對於第一、第二和第三測試PRAM的相變層的X射線光電子光譜(XPS)測試結果。
在圖5到7中，第一到第三虛線框B1、B2和B3指示SiO2的峰值。從框B1、B2和B3的比較可以看出，從第一測試PRAM的相變層到第三測試PRAM的相變層SiO2的峰值變得更清楚。
從該比較結果，可以看到SiO2作為絕緣雜質在第一到第三測試PRAM的相變層中存在，也可以看出SiO2在相變層中的含量隨著施加到SiO2靶的電能增加而增加。
在相變層形成期間，相變層的SiO2含量和施加到SiO2靶的電能之間的關係可以從全部的相變層的橢圓光度法分析結果看出。
圖8示出了第一到第三測試PRAM的相變層的橢圓光度法分析結果。
從圖8可以看出，相變層的SiO2含量與施加到SiO2靶的電能成比例增加。
本發明人還測量了根據施加到SiO2靶的電能在第一到第三測試PRAM中相變層的薄層電阻的變化，並且圖9示出了測量結果。對於上面的測量，為了保持第一到第三測試PRAM的整個相變層在結晶狀態，在第一到第三測試PRAM的製造期間，相變層形成之後，立即在300℃對形成的相變層退火大約10分鐘。因此，圖9中的結果示出全部在結晶狀態的相變層的薄層電阻的變化。
參考圖9，考慮到常規的GST層具有200Ω/□的薄層電阻Rs，可以看到相變層的薄層電阻隨著施加到SiO2靶的電能增加而增加。如從圖9中的圖表G1所看到的，薄層電阻隨著施加的電能增加而指數增加。
如從圖8可看到的，相變層的SiO2含量隨著施加的電能增加而增加。由此，可以看到，相變層的薄層電阻隨著相變層SiO2含量的增加而指數增加。
如上所述，根據本發明PRAM的相變層具有比常規PRAM的相變層更高的薄層電阻。因此，即使當給常規的相變層和本相變層提供相同的復位電流時，本相變層產生比常規的相變層更高的焦耳熱。這意味著本相變層需要比常規相變層更低的復位電流來產生相同的焦耳熱。
同時，隨著相變層的SiO2含量或施加到SiO2靶的電能的增加，相變層的薄層電阻指數增加。因此，當SiO2含量過度增加時，薄層電阻也大大地增加。因此，優選相變層SiO2含量保持低於體積的10％。
本發明人還對第三測試PRAM的本相變層和不含絕緣雜質的常規相變層進行了X射線衍射分析。圖10示出了分析結果。在圖10中，第二曲線G2涉及常規PRAM的相變層，第三曲線G3涉及第三測試PRAM的相變層。
如從第二和第三曲線G2和G3可示出的，與常規的相變層類似，第三測試PRAM的相變層具有面心立方(FCC)的晶格結構。而且，在第三測試PRAM的相變層的情況下，可以看出，這些峰值在不同晶體方向具有大的半峰全寬、低振幅、稍稍大的寬度和噪聲峰值。因此，可以看到第三測試PRAM的相變層與常規的PRAM相比具有小的晶粒和稍微變形的晶格。
為了觀察本PRAM的相變層中絕緣雜質的分布，本發明人還通過將180-W電能施加到SiO2靶來製作相變層，然後通過使用Gatan圖像濾波器(GIF)對於製作的相變層測量矽(Si)圖。圖11示出了該測量結果。在圖11中，黑色部分和白色部分分別對應於GSP和Si。
如從圖11可以看出的，矽均勻地分布在相變層60上，而在相變層60觀察不到顆粒或團聚型的SiOX。
本發明人還根據相變層的絕緣雜質含量測量了本PRAM中相變層的相變溫度(即，結晶溫度和非晶溫度)。測量的目標是在共濺射工藝期間分別通過將120-W電能、180-W電能和300-W電能施加到SiO2靶形成的第一、第二和第三相變層。
在圖12中示出了該測量結果。在圖12中，水平軸表示溫度變化，垂直軸表示指示相變層相變的β值變化。在圖12中，第一、第二和第三曲線GG1、GG2和GG3分別表示第一、第二和第三相變層的測量結果。
參考圖12，第一到第三曲線GG1、GG2和GG3首先在第一區間AA1處發生扭曲，以此減小β值。在第一區間AA1處β值的減小意味著第一到第三相變層的相從晶態變成了非晶態。即，第一到第三相變層在第一區間AA1處結晶。第一到第三相變層的結晶溫度在第一區間AA1是彼此不同的。
具體地，第一和第二相變層分別在大約150℃和180℃的溫度結晶，第三相變層在比第二相變層更高的溫度結晶。由結晶溫度從第一相變層到第三相變層增加的事實，可以看出本PRAM中相變層的結晶溫度Tx隨著相變層的絕緣雜質含量的增加而增加。當常規PRAM中相變層的結晶溫度大約是150℃時，第一到第三相變層的結晶溫度大約是150-200℃。即，本相變層比常規相變層具有更高的結晶溫度。
第一到第三曲線GG1、GG2和GG3從第一區間AA1繼續增加，然後在第二區間AA2再次發生扭曲，這意味著β值大大減小。由於第一到第三相變層的相從晶態變成非晶態，所以β值減小。即，在第二區間AA2，第一到第三相變層熔化並變成非晶態。與結晶溫度類似，第一到第三相變層的非晶溫度根據相變層的絕緣雜質含量而變化。
具體地，在第二區間AA2中，第一、第二和第三相變層分別在大約630℃、640℃和600℃的溫度下熔化並變成非晶態。這揭示了本相變層的非晶溫度Tm隨著相變層的絕緣雜質(例如，SiO2)含量增加而減小。當常規PRAM中相變層的非晶溫度大約是630℃時，本PRAM中相變層的非晶溫度比常規相變層具有更低的非晶溫度。而且，圖12的結果揭示了根據相變層絕緣雜質的含量，本相變層的非晶溫度可減少到600℃以下。
如從上面測試結果可看到的，具有包含均勻分布絕緣雜質的相變層的第一和第二PRAM比常規PRAM具有更高的結晶溫度和更低的非晶溫度。因此，第一和第二PRAM比常規PRAM具有更低的復位電流。由於第一和第二PRAM比常規PRAM更高的結晶溫度，在第一和第二PRAM中以復位電流寫入的數據改變的可能性比在常規的PRAM中的低。即，第一和第二PRAM比常規的PRAM能更長地穩定保持寫入的數據。這意味著第一和第二PRAM比常規的PRAM具有更好的保持特性。
同時，第一和第二PRAM的下電極接觸層58可由與用作常規PRAM下電極接觸層的材料的TiN或TiAlN相比具有相似電阻、更好的珀爾帖(Peltier)效應和低的多的熱導率的材料製成。
當復位電流施加到第一和第二PRAM的相變層60時，在相變層60的部分區域產生了熱量。由於該產生的熱量，相變層60的部分區域的溫度快速地增加到相變溫度之上，由此部分區域的相由晶態變成非晶態。
通過施加的復位電流在部分區域產生的全部熱量是焦耳熱、熱傳導損失和由於珀爾帖效應產生的熱量(下文中稱為「珀爾帖熱」)的總和。
由於珀爾帖熱是由於珀爾帖效應產生的，所以置位電阻不能根據下電極接觸層58尺寸的改變而改變。因此，當珀爾帖熱增加時，在不考慮置位電阻增加的情況下，相變層60的部分區域產生的全部熱量可以增加。這意味著復位電流可以減少到與由於珀爾帖熱引起的全部熱量的增加所對應的程度。
下電極接觸層58比由TiN或TiAlN形成的常規下電極接觸層產生大的多的珀爾帖熱。因此，第一和第二PRAM的復位電流可以減少與珀爾帖熱增量一樣多。此時，由於下電極接觸層58的尺寸沒有改變，所以置位電阻沒有增加。由於下電極接觸層58和相變層60的優點，第一和第二PRAM的復位電流可以進一步減小。
第一和第二PRAM的下電極接觸層58可改變形狀。例如，下電極接觸層58可以是寬的和平的，相變層60可以是下部被第二層間絕緣層(參考圖13中的66)限制的T形。即，下電極接觸層58和相變層60之間的接觸表面可由層間絕緣層66限定。
圖13是示出圖1中PRAM的下電極接觸層的改進的截面圖。
參考圖13，用第一下電極接觸層59a填充在絕緣層54中形成的接觸孔56。進一步在第一下電極接觸層59a的周圍提供間隔物。在絕緣層54上形成第二下電極接觸層59b，以覆蓋第一下電極接觸層59a的暴露的上表面。第一和第二下電極接觸層59a和59b優選可由相同材料形成，或由不同材料形成。第一和第二下電極接觸層59a和59b的材料可與第一和第二PRAM的下電極接觸層58的材料相同。第一和第二下電極接觸層59a和59b可同時或順序形成。
在第二下電極接觸層59b上形成絕緣層66。在絕緣層66中形成接觸孔68，以暴露第二下電極接觸層59b的預定區域。在絕緣層66上形成相變層72以填充接觸孔68。相變層72可與圖1中第一PRAM的相變層60相同或不同。在相變層72上形成上電極74。
圖1和4中第一和第二PRAM中的電晶體是開關器件的一個例子。該電晶體可用其它的開關器件例如二極體型開關器件代替。
圖14和15是示出製造根據本發明實施例的PRAM的方法的截面圖。
圖1的層間絕緣層54和前面的元件是通過常規工藝製造的。在層間絕緣層54中形成接觸孔56，然後用下電極接觸層58將其填充。可在圖2示出的結構中形成下電極接觸層58。此時，下電極接觸層58的材料特性與圖2中的相同。而且，下電極接觸層58可包括第一和第二下電極接觸層59a和59b，如圖13所示。
其後，如圖14所示，將層間絕緣層54和下電極接觸層58裝載在濺射沉積設備的基座80上。
放置第一到第三靶T1、T2和T3與層間絕緣層54的上表面間隔分開一預定的距離。第一到第三電源P1、P2和P3分別連接至第一到第三靶T1、T2和T3。可以調節來自第一到第三電源P1、P2和P3的電能。第一靶T1可以是包括GST的一些元素，即，GeTe的靶。第二靶T2可由選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的絕緣材料，例如，SiO2或SiO4形成。第三靶T3可以是包括GST的其它元素，即，Sb2Te3的靶。
襯底40裝載於基座80上。其後，施加到第一和第三靶T1和T3的電能保持不變，施加到第二靶T2的電能調節到700W以下，例如，根據第二靶T2的材料調節到30-500W的範圍(優選60-300W)。
在這種狀態下，濺射氣體碰撞到第一到第三靶T1、T2和T3以產生等離子體。以這種方式，第一到第三靶T1、T2和T3的材料濺射到襯底40上。襯底40上的濺射材料是由第一到第三靶T1、T2和T3發射的材料的均勻混合物。如圖15所示，該混合材料沉積在層間絕緣層54和下電極接觸層58的上表面上。該沉積材料形成相變層60。因此，形成相變層60以包括均勻分布的絕緣雜質60p。通過在上述範圍內調節施加到第二靶T2的電能，可以增加或減少相變層60中絕緣雜質60p的含量。為了該目的，可以進一步對於第二電源P2提供電能調節器。
在層間絕緣層54和下電極接觸層58上形成相變層60之後，可通過常規工藝形成上電極。
同時，接觸孔56的下部分可以用下電極接觸層58填充，擴展的上部分可用相變層60填充。
在層間絕緣層54上形成掩模(未示出)，以暴露下電極接觸層58的上表面和在下電極接觸層58的上表面周圍的層間絕緣層54的部分上表面。其後，利用濺射沉積設備，僅在由掩模暴露的區域上形成相變層60。此時，形成相變層60為小於相變層60的目標厚度的厚度。其後，移除掩模，在中斷第二靶T2的電能之後進行濺射沉積工藝。結果，如圖4所示，僅在相變層60的部分區域A1上均勻分布絕緣雜質60p。
圖16是示出根據本發明實施例的PRAM的方法的操作截面圖。下面的操作方法可以應用到第一和第二PRAM的任意一個。為了方便，將參考圖16對第一PRAM進行下面描述。
在該操作中電晶體一直是導通的。因此，為了方便，在圖16中沒有示出開關器件和相變層中均勻分布的絕緣雜質。
寫操作如圖16A所示，復位電流Irs持續預定的時間(例如，幾納秒)施加到全部結晶的相變層60。此時，由於本下電極接觸層58比常規的下電極接觸層產生更多的珀耳帖熱，所以復位電流Irs比常規復位電流小。例如，在16MbPRAM的情況下，常規的PRAM需要1.6mA的復位電流，而本PRAM需要小於1.6mA的復位電流Irs。此外，在64Mb PRAM的情況下，常規的PRAM需要1.1mA的復位電流，而本PRAM需要小於1.1mA的復位電流Irs。
由於本PRAM具有由於相變層60和下電極接觸層58引起的效果，所以本復位電流Irs可以比常規復位電流小。
圖16中的參考數字h2表示復位電流Irs的高度(或強度)，其低於常規復位電流的高度h1。
當復位電流Irs施加到相變層60時，接觸下電極接觸層58的相變層60的部分區域的溫度突然增加到相變溫度之上的溫度。結果，如圖16中(b)所示，在相變層60中形成非晶區域90。當相變層的部分區域90變成非晶區域時，相變層60的電阻增大。在這種情況下，認為在圖1的第一PRAM中寫入了位數據「1」。
當相變層的部分區域90是結晶區域時，認為在第一PRAM中寫入了位數據「0」。
如圖16中(b)所示，在相變層60具有非晶區域90的情形下，比復位電流「Irs」小的置位電流「Is」施加到相變層60。置位電流「Is」施加比復位電流「Irs」更長的持續時間。
當施加該置位電流「Is」時，相變層60的非晶區域90變成結晶，相變層60變成全部結晶，如圖16中(c)所示。在圖16A和16C中相變層60的狀態是相同的。因此，如圖16中(b)所示的形變層60上置位電流「Is」的施加可以看作擦除在相變層60上寫的位數據「1」，或在相變層60上寫數據「0」。
讀操作在讀操作中，當具有不能改變相變層60的相的強度的電流施加到相變層60上時，檢查測量的電阻以確定寫在相變層60上的位數據是「1」還是「0」。因此，在讀操作期間，施加到相變層60上的電流可比復位電流「Irs」和置位電流「Is」低。
本領域的普通技術人員將理解，下電極接觸層58可利用比上述的材料層具有更大珀耳帖效應的材料層形成。而且，相變層60可以是除GST層外的任何材料層。此外，可實行在反方向上施加復位電流和置位電流的操作方法。因此，本發明並不限於這裡描述的實施例，而應通過在權利要求中敘述的技術構思來限定。
如上所述，本PRAM包括在相變層中均勻分布的絕緣雜質。由於均勻分布的絕緣雜質，非晶溫度Tm減小了，結晶溫度Tx增加了。從而，PRAM的復位電流減小了，由此對應減小的復位電流可以減小電晶體的尺寸。而且，由於結晶溫度的增加，可以提高PRAM的保持特性。
此外，本PRAM用指定的材料層作為接觸相變層60下表面的下電極接觸層58。當與常規的TiAlN比較時，指定的材料層具有大絕對值的負塞貝克係數、低的熱導率和類似的電阻。由於指定的材料層具有高的塞貝克係數，其可以比常規材料層產生更大的珀耳帖熱。
因此，由於相變層60可以減小復位電流。此外，復位電流可以進一步減小與珀耳帖熱的增加量一樣多的量。這能夠大大地減小電晶體最大允許電流。從而，與常規電晶體相比，電晶體可以減小尺寸，最終增加了PRAM的集成水平。
由於珀耳帖效應導致的復位電流的減小與下電極接觸層58尺寸的減小不相關。從而，在不增加置位電阻的前提下，可以增加PRAM的集成水平。
雖然參考本發明的示範性實施例已具體示出和描述了本發明，但本領域的普通技術人員將理解，在不偏離如由權利要求所界定的本發明的精神和範圍的前提下，可對形式和細節進行各種改變。
權利要求
1.一種相變隨機存取存儲器，包括開關器件；連接到所述開關器件的下電極；形成在所述下電極上的下電極接觸層；形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區域接觸所述下電極接觸層的上表面；和形成在所述相變層上的上電極，其中所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質。
2.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質均勻分布在所述相變層的整個區域上。
3.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質僅均勻分布在發生相變的相變層的部分區域上。
4.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組中的至少一種。
5.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質的含量小於所述相變層體積的10％。
6.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述下電極接觸層由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負塞貝克係數、比TiN或TiAlN低的熱導率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
7.如權利要求1的相變隨機存取存儲器，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的一部分，所述相變層填充所述接觸孔的剩餘部分。
8.一種相變隨機存取存儲器，包括開關器件；連接到所述開關器件的下電極；覆蓋所述開關器件和所述下電極的層間絕緣層；形成在所述層間絕緣層內的第一接觸孔，以暴露所述下電極；填充所述第一接觸孔的第一下電極接觸層；形成在所述層間絕緣層上的第二下電極接觸層，以覆蓋所述第一下電極接觸層；形成在所述第二下電極接觸層上的絕緣層，所述絕緣層包括形成在其中的第二接觸孔，以暴露所述第二下電極接觸層；形成在所述絕緣層上表面上的相變層，以填充所述第二接觸孔；和形成在所述相變層上的上電極，其中所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質。
9.如權利要求8的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質均勻分布在所述相變層整個區域上。
10.如權利要求8的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質僅均勻分布在接觸下電極接觸層的相變層部分區域上。
11.如權利要求8的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
12.如權利要求8的相變隨機存取存儲器，其中所述絕緣雜質的含量小於所述相變層體積的10％。
13.如權利要求8的相變隨機存取存儲器，其中所述第一和第二下電極接觸層由TiN、TiAlN、或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負塞貝克係數、比TiN或TiAlN低的熱導率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
14.一種相變隨機存取存儲器的操作方法，所述相變隨機存取存儲器包括開關器件，連接到所述開關器件的下電極，形成在所述下電極上的下電極接觸層，形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區域接觸所述下電極接觸層的上表面，和形成在所述相變層上的上電極，所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質，所述方法包括施加流過所述相變層和所述下電極接觸層的復位電流，以將接觸所述下電極接觸層的相變層的部分變成非晶態。
15.如權利要求14的方法，其中所述復位電流比當TiN或TiAlN層用作所述下電極接觸層時施加的復位電流小。
16.如權利要求14的方法，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的部分，所述相變層填充接觸孔的所述剩餘部分。
17.如權利要求14的方法，其中在所述復位電流施加到所述相變隨機存取存儲器之後，用比所述復位電流的施加時間更長的時間，施加流過所述相變層和所述下電極接觸層的置位電流。
18.如權利要求14的方法，其中所述絕緣雜質均勻分布在所述相變層整個區域上。
19.如權利要求14的方法，其中所述絕緣雜質分布在接觸所述下電極接觸層的相變層部分區域上。
20.如權利要求14的方法，其中所述相變層是T形的，所述下電極接觸層包括連接到所述開關器件的第一下電極接觸層；和連接所述T形相變層和所述第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
21.如權利要求14的方法，其中所述下電極接觸層的側表面用間隔物覆蓋。
22.一種製造相變隨機存取存儲器的方法，所述相變隨機存取存儲器包括形成在所述襯底上的開關器件，連接到所述開關器件的下電極，形成在所述下電極上的下電極接觸層，形成在所述下電極接觸層上的相變層，所述相變層下表面的部分區域接觸所述下電極接觸層的上表面，和形成在所述相變層上的上電極，所述相變層包括均勻分布的絕緣雜質，所述方法包括通過在形成了所述下電極接觸層的所得到結構的上表面上形成混合材料，來形成包括均勻分布的絕緣雜質的相變層，所述混合材料通過均勻地混合除絕緣雜質之外的相變層的組成材料和所述絕緣雜質的材料而形成。
23.如權利要求22的方法，其中通過同時濺射包括一部分組成材料的靶和包括剩餘部分組成材料的另一靶形成除所述絕緣雜質以外的相變層的組成材料。
24.如權利要求22的方法，其中所述絕緣雜質的材料是通過濺射包括所述絕緣雜質的靶形成的。
25.如權利要求24的方法，其中電能施加到包括所述絕緣雜質的靶上，從而所述絕緣雜質的含量低於所述相變層體積的10％，電能根據環境變化。
26.如權利要求25的方法，其中施加到包括所述絕緣雜質的靶的電能是30-500W。
27.如權利要求22的方法，其中所述絕緣雜質是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
28.如權利要求22的方法，其中所述相變層形成T形，所述下電極接觸層形成以包括連接到所述開關器件的第一下電極接觸層；和連接所述T形相變層和所述第一下電極接觸層的第二下電極接觸層。
29.如權利要求22的方法，其中所述下電極接觸層的側表面被間隔物覆蓋。
30.如權利要求22的方法，其中所述下電極接觸層由TiN、TiAlN或具有比TiN或TiAlN大的絕對值的負塞貝克係數、比TiN或TiAlN低的熱導率和與TiN或TiAlN相同水平的電阻的材料形成。
31.如權利要求22的方法，其中所述下電極接觸層填充接觸孔的部分，所述相變層填充所述接觸孔的剩餘部分。
32.如權利要求23的方法，其中所述絕緣雜質的材料是通過濺射包括所述絕緣雜質的靶形成的。
33.一種相變材料，包括結晶溫度和非晶溫度彼此不同的第一材料；和均勻分布在所述第一材料上的絕緣雜質。
34.如權利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質均勻分布在所述第一材料整個區域上，或僅在所述第一材料部分區域上。
35.如權利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質是選自由SiOx(x＝1～4)、SiN、Si3N4、TiOx(x＝1～4)、AlO和Al2O3組成的組的至少一種。
36.如權利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質的含量少於所述第一材料體積的10％。
37.如權利要求33的相變材料，其中所述絕緣雜質位於所述第一材料中空位或間隙位置。
全文摘要
本發明公開了一種相變材料、包括該相變材料的PRAM以及製造和操作這種PRAM的方法。絕緣雜質均勻分布在相變材料的整個或部分區域上。該PRAM包括含有相變材料的相變層。相變材料的絕緣雜質含量可小於相變材料體積的10％。相變材料絕緣雜質的含量可以通過控制施加到包括絕緣雜質的靶的電能調節。
文檔編號H01L21/82GK1909239SQ200610121248
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月4日 優先權日2005年8月4日
發明者盧振瑞, 姜閏浩, 李相睦, 徐東碩 申請人:三星電子株式會社