具有切換玻璃層的存儲器裝置的製作方法

2023-05-22 01:12:51

專利名稱：具有切換玻璃層的存儲器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用電阻可變材料形成的隨機存取存儲器(RAM)裝置的領域。
技術背景針對作為半易失性和非易失性隨機存取存儲器裝置的適合性，已經對包含可編程導 電隨機存取存儲器(PCRAM)元件的電阻可變存儲器元件進行研究。在典型的PCRAM 裝置中，硫屬化物玻璃骨幹的電阻可被編程到穩定的較低傳導率(即，較高電阻)和較 高傳導率(即，較低電阻)狀態。未經編程的PCRAM裝置通常處於較低傳導率、較高電阻狀態。調節操作在PCRAM裝置中形成金屬-硫屬化物的傳導溝道，其支持用於改變裝置的 傳導率/電阻率狀態的傳導性通道。所述傳導溝道即使在裝置被擦除之後也保留在玻璃骨 幹中。在調節操作之後，寫入操作將把PCRAM裝置編程到較高傳導率狀態，其中金屬 離子沿傳導溝道累積。可通過施加量值小於對PCRAM裝置進行編程所需的量值的電壓 來讀取PCRAM裝置；將存儲器裝置上的電流或電阻讀出為較高或較低，以界定邏輯"一" 和"零"狀態。可通過施加相對於寫入電壓的反向電壓(相反偏壓)來擦除PCRAM， 所述反向電壓會破壞傳導性通道，但通常使傳導溝道保持完整。以此方式，這種裝置可 充當具有至少兩種傳導率狀態的可變電阻存儲器，所述傳導率狀態可界定兩個相應的邏輯狀態，即至少一個數據位。一個示範性PCRAM裝置使用硒化鍺(即，GexSeH)G-x)硫屬化物玻璃作為骨幹。在 現有技術中，硒化鍺玻璃己通過(光或熱)摻雜或共同沉積而併入有銀(Ag)。其它示 範性PCRAM裝置己經通過以下方式取消了此類摻雜或共同沉積併入有金屬-硫屬化物 材料作為與金屬層結合的硒化銀(例如，Ag2Se)、硫化銀(AgS)或硒化錫(SnSe)層 (其最接近硫屬化物玻璃層)，所述層在調節PCRAM期間提供用以形成玻璃骨幹中的傳導溝道和傳導性通道的材料。已經進行了廣泛的研究來確定用於PCRAM裝置中的玻璃骨幹的合適材料及其化學 計量。已經發現具有大約為Ge4oSe60 aPGe2Se3)(例如與Ge23Se77或Ge3Se7o相對比) 的化學計量的硒化鍺對於此用途非常奏效。具有附帶的金屬-硫屬化物(例如，通常是硒 化銀)層的Ge4oSe6o玻璃骨幹允許在調節期間在玻璃骨幹中形成傳導溝道，其此後可經 編程以形成傳導性通道。在調節步驟處，將金屬-硫屬化物併入到硫屬化物玻璃層中。具 體來說，調節步驟包括在裝置的存儲器單元結構上施加電位(大約0.20 V),使得金屬-硫屬化物材料被併入到硫屬化物玻璃層中，從而在硫屬化物玻璃層內形成傳導溝道。理 論上，在Ge-Ge部位處經由新的Ge-Se鍵將Ag2Se併入到玻璃骨幹上，這允許銀(Ag) 在編程期間遷入和遷出傳導溝道。金屬(例如，通常是銀)離子在隨後的編程和擦除期 間移入或移出傳導溝道會沿傳導溝道形成或分解傳導性通道，這致使存儲器裝置上的可 發覺的傳導率(或電阻)變化。已經確定Ge4oSe6o作為PCRAM裝置中的玻璃骨幹起到良好的作用，因為這種化學 計量對剛性且以熱動方式併入有不穩定的鍺-鍺(Ge-Ge)鍵的玻璃有利。在有所施加的 電位的情況下，另一種類的物質(例如從附帶層提供的硒化銀)的存在可能使Ge-Ge鍵 斷開，並且與先前共價鍵合的Ge鍵合以形成傳導溝道。這些特徵使得這種"40/60"化 學計量在相對於傳導溝道和傳導性通道的形成而使用硒化鍺硫屬化物玻璃時是最佳的。雖然鍺-硫屬化物(例如，Ge4QSe6)玻璃層對於PCRAM裝置來說非常理想，但其 它玻璃可能對於改進裝置的切換特性或熱限是理想的。 發明內容本發明提供以下各項的實施例 一種確定合適的玻璃骨料的方法，所述玻璃骨料可與其它材料一起在例如PCRAM的電阻可變存儲器裝置中代替Ge4oSe6o玻璃而使用；一 種用此類材料形成存儲器裝置的方法；以及根據這些方法構造的裝置。硫屬化物玻璃材料可由AxB訓-x來表示，其中A是從周期表中的族3到族15中選 出的非硫屬化物材料，且B是來自族16的硫屬化物材料。選擇玻璃材料的方法包含 (1)從族3到族15中選出將顯示共價鍵的非硫屬化物成分A; (2)從族16中選出硫屬 化物成分B，相對於A-A共價鍵，成分A將對成分B具有鍵合親和力；(3)選出將允 許共價A-A鍵形成的化學計量(即，AxB訓-x中的x);以及(4)確認具有選定化學計 量(即，x)的玻璃AXB1Q-X (在金屬-硫屬化物層和金屬離子最接近所述玻璃時)將允 許在施加調節電壓之後，立即在其中形成傳導溝道和傳導性通道。根據本發明實施例構造的示範性存儲器裝置針對存儲器單元使用具有GexTei.x化 學計量的碲化鍺玻璃骨幹以及與其最接近的金屬-硫屬化物層。在具體的示範性實施例 中，x在約44與約53之間。而且，金屬-硫屬化物層可以是化學計量約為SnSe的硒化 錫。其它層也可與此玻璃骨幹和金屬-硫屬化物層相關聯。
根據結合附圖提供的以下具體實施方式
，將更好地理解本發明的以上和其它特徵及 優勢。


圖1到圖3展示對硒化鍺玻璃的拉曼位移(Raman shift)分析的圖表，其可在選擇 根據本發明的玻璃骨料的過程中使用；
圖4展示根據本發明的存儲器裝置的示範性實施例； 圖5展示根據本發明的存儲器裝置的示範性實施例；
圖6到圖11展示晶片在根據本發明實施例的裝置的製造期間的各個階段時的橫截
面；
圖12展示根據本發明的對0.13^mi裝置的第一 (調節)寫入和第二 (編程)寫入的 電阻-電壓曲線；
圖13展示併入有根據本發明的存儲器裝置的示範性的基於處理器的系統；
圖14a到圖14h是展示用根據本發明示範性實施例製造的裝置進行的熱測試的實驗
結果的圖表；以及
圖15展示碲化鍺玻璃的拉曼位移分析的圖表。
具體實施例方式
在以下具體實施方式
中，參看本發明的各個具體實施例。用充分的細節來描述這些 實施例，以便使所屬領域的技術人員能夠實踐本發明。應了解，可使用其它實施例，且 可在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，進行各種結構性的、邏輯的和電的改變。
以下描述內容中使用的術語"襯底"可包含任何支撐結構，包含(但不限於)具有 暴露的襯底表面的半導體襯底。半導體襯底應理解為包含絕緣體上矽(SOI)、藍寶石上 矽(sos)、摻雜和未摻雜半導體、由基部半導體底座支撐的外延矽層以及其它半導體結
構。當在以下描述內容中提到半導體襯底或晶片時，可能己經利用前面的工序在基部半 導體或底座中或上形成區域或結。襯底無需是基於半導體的，而是可以是任何適合支撐 集成電路的支撐結構，包含(但不限於)金屬、合金、玻璃、聚合物、陶瓷和此項技術 中已知的任何其它支撐性材料。術語"硫屬化物"意在包含硫屬元素(來自周期表的族16的元素，例如硫(S)、 硒(Se)、碲(Te)、釙(Po)和氧(O))的各種合金、化合物和混合物。
本發明的實施例提供一種選擇供電阻可變存儲器裝置(例如PCRAM)中使用的玻 璃骨料的方法。所述骨料(即，圖4和圖5的骨幹玻璃層18)可由分子式AWhk).x來表 示，其中A是從周期表的族3到族15 (且優選是族n、 14和15)中選出的非硫屬化物 材料，而B是硫屬化物材料。所述玻璃骨幹還可由分子式(AXB1.X) Cy來表示，其中 C表示一種或一種以上額外的可選成分，其可能存在於有些玻璃配方中，但其可省略； 因此，為了簡單起見，以下描述內容將集中在兩種成分(A和B)。對材料AxBu)o.x的最 終選擇部分地取決於與其在操作上嚙合的鄰近金屬-硫屬化物層(例如，圖4和圖5的層 20)的組成。成分A應對硫屬化物成分B且優選對金屬-硫屬化物層的硫屬化物材料(其 優選也是成分B)具有親和力。由於已經通過實驗觀察到Ge4oSe6o玻璃在PCRAM裝置
中具有良好的玻璃骨幹特性，所以由分子式AxBK)o.x表示的骨料對於金屬-硫屬化物層中
的硫屬化物成分應具有類似於Ge4oSe6o玻璃的特性，例如共價鍵特性和對例如Ge的非 硫屬化物成分的親和力。
考慮到這些特徵，選擇玻璃骨料的成分A和B以及化學計量的過程中的主要考慮因 素在於，所得的材料以熱動方式含有成分A的不穩定共價鍵，這意味著只有在成分B 的量不足以滿足對成分A的允許形成共價A-A鍵的配位數要求時，非硫屬化物成分A 才可與玻璃中的起初形成的另一成分A形成鍵。這種玻璃材料中的A-A共價鍵熱動地 不穩定，且當裝置被編程時，所述共價鍵將自行斷開，而且當金屬-硫屬化物層的硫屬化 物成分與參與共價鍵的成分A鍵合時，金屬-硫屬化物層在玻璃骨幹中形成傳導溝道。 這種特性取決於材料AXB1.X的化學計量，因為過量的硫屬化物成分B將抑制共價A-A 鍵的形成。
關於材料AxBu)^及其化學計量，"過量"硫屬化物成分B表示的意義可通過材料 是否顯示共價鍵來確定。在為PCRAM裝置中的玻璃骨幹選擇材料AxB,-x時，拉曼光
譜學可能是用於確定共價鍵的存在的有用分析工具。拉曼光譜學是基於拉曼效應的，所
述效應是光子對分子的非彈性散射。拉曼強度(計數)與拉曼位移(cm—1)的曲線是拉 曼光譜，其為圖1到圖3的基礎。
現在參看圖1，其為整體Ge23Se77玻璃的拉曼光譜，其可通過玻璃併入有Ge-Se鍵 和Se-Se (即，硫屬化物)鍵的在約200 cm"處和在約260 cm—1處的拉曼位移峰值觀察 到。對於玻璃骨幹來說，這不是理想的化學計量，因為其缺乏在包括硒化鍺玻璃的裝置 中進行切換所需要的共價Ge-Ge (即，非硫屬化物)鍵。將圖1與圖2進行比較，其中後者是整體Ge4oSe6Q玻璃的拉曼光譜，其展示了對應於Ge-Ge共價鍵的在約175 cm'1處 的拉曼位移峰值，和對應於Ge-Se鍵的在約200 cm"處的峰值。Ge4Se6中所發現的非 硫屬化物(即，Ge-Ge)共價鍵的普遍存在是PCRAM中的玻璃骨幹的材料中所追求的 特徵。如圖3所示，還可使用拉曼光譜在Ge4oSe6o薄膜中看到此特徵。可對具有各不相 同的化學計量的其它材料AxB,.x進行類似的拉曼光譜比較，以便發現展示表明材料中 的非硫屬化物成分的共價鍵(即，A-A)的峰值的光譜，其指示所述材料具有適合玻璃 骨幹的特性。考慮到前面所提到的所需特徵，可通過以下步驟來執行檢測合適的玻璃骨幹的方 法(1)從族3到族15中選出將顯示共價鍵的非硫屬化物成分A; (2)從族16中選出 硫屬化物成分B，相對於A-A共價鍵，成分A將對成分B具有鍵合親和力；(3)選擇 將提供熱動地不穩定的玻璃且將允許共價A-A鍵形成的化學計量(即，AxB訓—x的x); 以及(4)確認具有選定化學計量(即，x)的玻璃AxBhm)-x (在例如MyBu)o-y的金屬-硫 屬化物和金屬離子最接近玻璃時)將允許在施加調節電壓之後，立即在其中形成傳導溝 道和傳導性通道。通過使用上述方法來選擇玻璃骨料AXB1.X，至少已經發現了四種優選在PCRAM 裝置中使用的材料。這些材料包含硒化砷(由分子式AssoSeso表示)、硒化錫(由分子 式SnsoSe5o表示)、硒化銻(由分子式SbxSeK)o-x表示)以及碲化鍺(由分子式GexTe100-x 表示)。如圖15所示，碲化鍺玻璃的拉曼位移峰值(對於Ge-Ge鍵)大約在140計數/cm—1， 且(對於Te-Te鍵)大約在180計數/cm—1，這表明所述玻璃對於PCRAM具有至少一個 有利特徵。雖然這些示範性材料中的每一者針對成分B均包含硒或碲，但還可使用其它 硫屬化物。現在參看其它圖來闡釋本發明，所述圖說明示範性實施例，且在所述圖中，相同的 參考標號始終指示相同的特徵。圖4展示根據本發明構造的存儲器裝置IOO的示範性實 施例。圖4所示的裝置100由襯底IO支撐。在襯底10上(儘管未必直接在襯底10上) 的是傳導性地址線12，所述地址線12為所示的裝置IOO且為存儲器陣列的一部分的多 個其它類似裝置充當互連件，其中所示裝置IOO是所述存儲器陣列的一部分。有可能在 襯底IO與地址線12之間併入有可選的絕緣層(未圖示)，且如果襯底IO是基於半導體 的，那麼這可能是優選的。傳導性地址線12可以是此項技術中己知對提供互連線有用 的任何材料，例如摻雜多晶矽、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鋁 (Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)以及其它材料。在地址線12上的是第一電極16，可將第一電極16界定在絕緣層14內(或可以是常見的覆蓋電極層；未圖示)，所述絕緣層14也在地址線12上。此電極16可以是任何 不會遷移到硫屬化物玻璃中的傳導性材料，但優選是鎢(W)。絕緣層14不應允許金屬 離子的遷移，且可以是絕緣氮化物，例如氮化矽(Si3N4)、低介電常數材料、絕緣玻璃 或絕緣聚合物，但不限於此類材料。存儲器單元(即，存儲器裝置100的存儲信息的部分)形成於第一電極16上。在 圖4所示的實施例中，在第一電極16上提供硫屬化物玻璃層18。所述硫屬化物玻璃層 18具有化學計量分子式AxBh)q.x，其中A是非硫屬化物成分，且B是硫屬化物成分，如 上所述。材料AxBn)o.x可能是許多具有適當特徵(例如，共價鍵、共價鍵強度、熱動不 穩定性等)和適當化學計量的材料(如上所述)，但優選從Sn5。Se5。、 SbxSe1Q.x、 As5。Se50 和GexTei-x中選出，通過遵照上文所述的方法，已發現以上材料是合適的。分子式為 GexTei(K)-x (其中x在大約44與53之間)的碲化鍺是層18的優選材料。更優選的是，x 在46與51之間，且最優選的是，x大約為47。這可寫成Ge46Tes4到Ge51Te49。碲化鍺 之所以是硫屬化物玻璃層18的特別好的選擇，是因為如圖15中的拉曼數據所示，其顯 示這種玻璃所需要的Ge-Ge共價鍵。而且，當與硒化錫(SnSe)的金屬-硫屬化物層20 一起使用時，硒化錫允許形成Ge-Se鍵和在存儲器裝置操作期間形成供金屬(例如Ag) 離子遷移的溝道。硫屬化物玻璃層18的厚度優選在約100 A與約1000 A之間，最優選約為300 A。 層18無需是單個玻璃層，而是還可由具有相同或不同化學計量的硫屬化物玻璃的多個 子層組成。此硫屬化物玻璃層18與下伏的電極16形成電接觸。在硫屬化物玻璃層18上的是金屬-硫屬化物層20，其可以是金屬成分M (其可從任 何金屬中選出)與硫屬化物成分B (其優選是與玻璃骨幹層18中相同的硫屬化物)的 任意組合，並且可由分子式MyB柳-y表示。與玻璃骨幹層18的材料一樣，可添加其它 成分，但為了簡單起見，將只把金屬-硫屬化物論述為具有兩種成分M和B。舉例來說， 所述金屬-硫屬化物可以是硒化銀(AgySe， y約為20)，或者優選是硒化錫(Sni+/-ySe， 其中y在約10與0之間)。金屬-硫屬化物層20的厚度優選為約500 A;然而，其厚度 部分地取決於下伏硫屬化物玻璃層18的厚度。金屬-硫屬化物層20的厚度與下伏的硫屬 化物玻璃層18的厚度的比率應在約5:1與約1:1之間，更優選為約2.5:1。仍參看圖4，在金屬-硫屬化物層20上提供金屬層22，其中層22的金屬即使不是只含有銀，也優選至少含有一些銀。金屬層22的厚度應為約500 A。金屬層22輔助存儲器裝置IOO的切換操作。在金屬層22上的是第二電極24。第二電極24可由與第一電極16相同選是鎢(W)。裝置100可通過絕緣層26隔離。圖5展示根據本發明構造的存儲器裝置101的另一示範性實施例。存儲器裝置101 與圖4的存儲器裝置IOO具有許多相似點，且用相同參考標號表示的層優選與相對於圖 4所示的實施例而描述的那些層具有相同的材料和厚度厚度。舉例來說，第一電極16優 選是鎢。硫屬化物玻璃層lS的材料AxBnK).x是根據上文詳細描述的方法而選擇的，並且 可以是碲化鍺；其厚度優選為約150 A。與圖4的裝置100—樣，金屬-硫屬化物層20 可以是任何MyBuM).y組合，但可以是硒化錫；其厚度優選為約470A。金屬層22優選含 有一些銀，但可以大部分或全部是銀；其厚度優選為約200 A。裝置100與裝置101之 間的主要區別是裝置101中加入了額外的第二和第三硫屬化物層18a和18b。第二硫屬化物玻璃層18a形成於金屬-硫屬化物層20上，且其厚度優選為約150 A。 在此第二硫屬化物玻璃層18a上的是金屬層22。在金屬層22上的是第三硫屬化物玻璃 層18b，其厚度優選為約100 A。第三硫屬化物玻璃層18b提供粘合層，用於隨後形成 電極。與圖4的層18—樣，層18a和18b不一定是單個層，而是可由多個子層組成。 此外，第二和第三硫屬化物層18a和18b可以是與第一硫屬化物玻璃層18不同的玻璃 材料，或者是彼此不同的玻璃材料。對層18a和18b來說優選的玻璃材料是硒化鍺 (GexSe跳x)，更優選是Ge2Se3，但其它材料也可能是有用的，其中包含碲化鍺(GexTK)o-x)、 硒化砷(AsxSe咖.x)、硒化錫(SnxSe咖-x)、硒化銻(SbxSe,-x)、硫化鍺(GexS1(M)-x)以 及鍺(Ge)、銀(Ag)和硒(Se)的組合。第二電極24優選是鎢(W)，但還可以是其 它金屬。如圖14a到圖14h所示，在變化的熱條件下，針對存儲器操作用實驗方法測試根據 上述實施例(圖5)的PCRAM裝置。每張圖表(圖14a到圖14h)代表對相應PCRAM 裝置進行的一組熱測試。與圖5所示的裝置相似，每個經測試的裝置具有鎢(W)第一 電極(例如，層16)、其上的300 A碲化鍺(GexTe1o-x， x^44到53)層(例如，層18)、 其上的900 A硒化錫(SnSe)層(例如，層20)、其上的150A硒化鍺(Ge2Se3)層(例 如，層18a)、其上的500 A銀(Ag)層(例如，層22)、其上的100 A硒化鍺(Ge2Se3) 層(例如，層18b)以及鎢(W)第二電極(例如，層24)。在圖14a到圖14h中的圖表上所示的溫度下，通過將支撐PCRAM裝置的晶片定位 在溫度可控制的夾盤(chuck)上且對十(10)臺裝置進行DC編程來進行所述測試。以 如下方式來對每臺裝置進行DC探測程序(l)掃描從OmV到800 mV的電位，並讀取 10mV下的單元電阻，以確定初始電阻(Ri); (2)掃描從0 mV到10 mV的電位，並 記錄10mV下的電阻，以獲得寫入電阻(Rwl); (3)從0 V到-l V掃描所述裝置，並記錄裝置被擦除時的電位和所述擦除電位下的電流，以確定擦除電壓和擦除電流；(4)從0mV到800 mV掃描所述裝置，並讀取10mV下的電阻(這是Rerase)，並記錄裝置 被切換(即，被寫入)時的電位(Vw2);以及(5)掃描OmV到10mV的電位，並記 錄10mV下的電阻(這是Rw2)。圖Ma到圖14h的圖表展示在沿所述圖表的x軸的溫 度下，針對根據本發明而構造的10臺實驗裝置測量到的這些參數(即，Vwl、 Vw2、 Ri、擦除電流、擦除電壓、Rwl、 Rw2、 Rerase)。結果表明，基於碲化鍺的PCRAM單 元具有適合在存儲器裝置中使用的耐熱性。上述實施例是本發明的示範性實施例；然而，可使用使第一電極層16與地址線層 12組合的其它示範性實施例。另一示範性實施例可使用存儲器單元主體的覆蓋層(即， 圖4的層16、層18、層20和層22)，其中通過第二電極24在襯底IO上的位置來局部 地界定存儲器單元。另一示範性實施例可在通孔內形成存儲器裝置。可在不偏離本發明 的範圍的情況下，在根據本發明的裝置中加入上文所展示並論述的實施例中未明確揭示 的額外層(例如，勢壘層或合金控制層)。圖6到圖11說明晶片在如圖1所示的存儲器裝置100的製造期間的橫截面視圖。 儘管圖6到圖11所示的處理步驟最明確地適用於圖1的存儲器裝置100，但所論述的方 法和技術也可用來製造其它實施例的存儲器裝置(例如，圖5的裝置101)，所屬領域的 技術人員將理解這一點。如圖6所示，提供襯底10。如上文所指示，襯底IO可以是基於半導體的材料或如 此項技術中已知的可用作支撐結構的另一種材料。如果需要的話，可在襯底10上形成 可選的絕緣層(未圖示)；所述可選的絕緣層可以是氮化矽或此項技術中所使用的其它 絕緣材料。通過以下步驟在襯底10 (或可選的絕緣層，如果需要的話)上形成傳導性地 址線12:沉積傳導性材料，所述材料例如是摻雜多晶矽、鋁、鉑、銀、金、鎳，但優選 是鎢；(例如)用光刻技術對一根或一根以上導線進行圖案化；以及進行蝕刻以界定地 址線12。所述傳導性材料可通過此項技術中已知的任何技術來沉積，所述技術例如是濺 鍍、化學氣相沉積、等離子體增強的化學氣相沉積、蒸鍍或電鍍。仍參看圖6，在地址線12上形成絕緣層14。此層14可以是氮化矽、低介電常數材料或此項技術中已知不允許金屬(例如，銀、銅或其它材料)離子遷移的許多其它絕緣 體，並且可通過此項技術中已知的任何方法來沉積。舉例來說，通過光刻和蝕刻技術在 絕緣層中製造開口 14a，從而暴露下伏地址線12的一部分。在絕緣層14上、開口 14a 內和地址線12上形成傳導性材料，優選是鴇(W)。接著可利用化學機械拋光步驟將所述傳導性材料從絕緣層14上去除，以將其作為第一電極6留在地址線12上，並使晶圖7展示圖6的晶片在隨後處理階段時的橫截面。將組成存儲器裝置100 (圖4) 的一系列層覆蓋沉積在晶片上。在第一電極16和絕緣層14上形成厚度優選為大約300 A 的硫屬化物玻璃層18。所述硫屬化物玻璃層18是GexTe1GQ-x，其中x在約44到53之間， 但其也可從例如As5oSe5o、 SnsoSe5o和SbxSe咖.x的其它材料中選出，並且如上所述，可 從具有適當特徵和針對存儲功能的適當化學計量的許多材料AxB,.x中選出。選擇硫屬化物玻璃層18的材料的步驟是(1)從族3到族15中選出將顯示共價鍵 的非硫屬化物成分A; (2)從族16中選出硫屬化物成分B，相對於A-A共價鍵，成分 A將對成分B具有鍵合親和力；(3)選出將提供熱動地不穩定的共價A-A鍵的化學計量 (即，AxBkk)-x的x);以及(4)確認具有選定化學計量(即，x)的玻璃AxB畫-x (在金 屬-硫屬化物層20最接近玻璃層18時)將允許在施加調節電壓之後立即在其中形成傳導 溝道和傳導性通道。 一旦選定了材料，便可通過任何合適的方法來實現硫屬化物玻璃層 18的沉積，所述方法例如是蒸鍍技術或化學氣相沉積；然而，優選的技術利用濺鍍或共 同濺鍍。仍參看圖7，在硫屬化物玻璃層18上形成金屬-硫屬化物層20，例如MyB兩-y。金 屬-硫屬化物層20優選是硒化錫(SnSe)，特別是在將碲化鍺用作硫屬化物玻璃層18時。 可使用物理氣相沉積、化學氣相沉積、共同蒸鍍、濺鍍或此項技術中已知的其它技術來 沉積厚度優選為大約500 A的層20。另一方面，層20的厚度是部分地基於層18的厚度 而選擇的，且金屬-硫屬化物層20的厚度與下伏硫屬化物玻璃層18的厚度的比率優選從 約5:1到約1:1，更優選為約2.5:1。應注意，因為相對於圖6到圖11概述的處理步驟可 適合形成根據本發明的其它裝置(例如，層可保持為覆蓋沉積的形式)，所以可在鄰近 金屬-硫屬化物層20處(在其任一側)形成勢壘層或合金控制層，或者可在通孔內形成 所述層。仍參看圖7，在金屬-硫屬化物層20上形成金屬層22。金屬層22即使不是只含有銀 (Ag)，也優選至少含有一些銀(Ag)，但也可是其它金屬，例如銅(Cu)或過渡金屬， 並且形成為約300 A的優選厚度。金屬層22可通過此項技術中已知的任何技術來沉積。仍參看圖7，在金屬層22上沉積傳導性材料以用於第二電極24。另一方面，此傳 導性材料可以是任何適合用於傳導性電極的材料，但優選是鎢；然而，也可使用其它材 料，例如氮化鈦或鉭。現在參看圖8，光致抗蝕劑層28沉積在頂部電極24層上，經掩蔽和圖案化以界定用於存儲器裝置100的堆疊，所述存儲器裝置100隻是存儲器陣列的多個相似存儲器裝置中的一者。使用蝕刻步驟來去除層18、層20、層22和層24的多個部分，其中將絕 緣層14用作蝕刻停止物，從而留下如圖9所示的堆疊。去除光致抗蝕劑30，從而留下 實質上完整的存儲器裝置100，如圖9所示。可在裝置100上形成絕緣層26，以便實現 如圖4、圖IO和圖11所示的結構。如此項技術中已知，這個隔離步驟之後可能是與包 含存儲器裝置IOO的集成電路(例如，邏輯電路、讀出放大器等)的其它電路形成連接 (未圖示)。如圖10所示，通過施加約0.20V的電壓脈衝來執行調節步驟，以便將來自金屬-硫 屬化物層20的材料併入到硫屬化物玻璃層18中，從而在硫屬化物玻璃層18中形成傳 導溝道30。當在存儲器裝置100的操作期間施加約0.17 V的編程脈衝時，傳導溝道30 將支持傳導性通道32，如圖11所示。上述實施例只參照根據本發明的幾個可能的電阻可變存儲器裝置結構(例如， PCRAM)的形成，所述結構可能是存儲器陣列的一部分。然而，必須了解，在本發明 的精神內，本發明預期其它存儲器結構的形成，所述結構可製造為存儲器陣列並與存儲 器元件存取電路一起操作。圖12針對例如分別在圖4和圖5中展示的裝置100或裝置101的0.13 pm裝置，展 示對應於調節電壓的第一寫入和對應於編程電壓的第二寫入的電阻電壓曲線。圖12的 曲線所表示的裝置具有AsM)Se5o硫屬化物玻璃層18 (見圖4和圖5)。圖12展示與第二 寫入相比，第一寫入處於略高的電位(即，分別為0.2 V比0.17 V)。這是因為第一寫入 通過形成傳導溝道30 (其在此第一寫入之後保持完整)而根據圖IO所示的處理來調節 所述裝置。第二寫入需要較少的電壓，因為已經通過調節寫入而形成穩定的傳導溝道30， 且傳導性通道32更容易形成。這些寫入電壓的施加將所述裝置編程到非易失性較高傳 導率、較低電阻率的存儲狀態。利用根據本發明而選出的硫屬化物玻璃層18的這些觀 察到的編程參數表明，所測試的裝置與將Ge4oSe6o用作玻璃骨幹時一樣奏效。具有As5oSe5o硫屬化物玻璃層(例如，層18)的裝置的擦除電位也與具有Ge4oSe60 玻璃的裝置相似。圖12中未展示此擦除電壓曲線；然而，擦除電位約為-0.06 V，這使 裝置返回到非易失性較高電阻率、較低傳導率的存儲狀態。圖13說明典型的處理器系統400，其包含存儲器電路448 (例如PCRAM裝置)， 所述電路使用根據本發明實施例而製造的電阻可變存儲器裝置(例如，裝置100和裝置 101)。例如計算機系統的處理器系統通常包括中央處理單元(CPU) 444，其例如是微 處理器、數位訊號處理器或其它可編程數字邏輯裝置，CPU 444通過總線452與輸入/輸出(I/O)裝置446通信。存儲器電路448通常通過存儲器控制器經由總線452與CPU444通信。在計算機系統的情況下，處理器系統可包含例如軟盤驅動器454和光碟(compact disc, CD) ROM驅動器456的外圍裝置，所述外圍裝置也通過總線452與CPU 444通 信。存儲器電路448優選構造成集成電路，其包含一個或一個以上電阻可變存儲器裝置， 例如裝置100。如果需要的話，存儲器電路448可在單個集成電路中與處理器(例如CPU 444)組合。以上描述和圖式應僅被理解為是說明實現本發明的特徵和優勢的示範性實施例。可 在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，對具體過程條件和結構作出修改和替代。因此， 本發明不應被理解為受以上描述和圖式限制，而是只受所附權利要求書的範圍限制。
權利要求
1.一種形成存儲器裝置的方法，其包括提供第一電極和第二電極；在所述第一電極與第二電極之間提供金屬-硫屬化物層；在所述第一電極與第二電極之間提供碲化鍺玻璃並使其與所述金屬-硫屬化物層接觸。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬-硫屬化物層位於所述硫屬化物玻璃層 與所述第二電極之間。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬-硫屬化物層包括硒化銀。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬-硫屬化物層包括硒化錫。
5. 根據權利要求4所述的方法，其進一步包括在所述金屬-硫屬化物層與所述第二電 極之間提供金屬層。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中所述金屬層包括銀。
7. 根據權利要求5所述的方法，其進一步包括在所述金屬-硫屬化物層與所述金屬層 之間提供第一硫屬化物玻璃層。
8. 根據權利要求9所述的方法，其進一步包括在所述金屬層與所述第二電極之間提供 第二硫屬化物玻璃層。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式GexTe100-x， 其中x為約44到約53。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式GexTe綱—x， 其中x為約46到約51。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式GexTe100-x， 其中x約為47。
12. —種形成存儲器單元的方法，其包括在襯底上形成第一電極；在所述第一電極上形成存儲器主體，所述存儲器主體包括碲化鍺玻璃層和硒化錫 層；在所述存儲器主體上形成硫屬化物玻璃層； 在所述硫屬化物玻璃層上形成含銀層； 在所述含銀層上形成粘合層；以及在所述粘合層上形成第二電極。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述碲化鍺玻璃層具有化學計量分子式 GexTe100.x，其中x為約44到約53。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中所述碲化鍺玻璃層具有化學計量分子式 GexTe100—x，其中x為約46到約51。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中所述碲化鍺玻璃層具有化學計量分子式 GexTe1o_x，其中x約為47。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中所述碲化鍺玻璃層與所述第一電極接觸。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中垂直布置所述存儲器單元的各個層。
18. 根據權利要求12所述的方法，其中所述硫屬化物玻璃層是Ge2Se3。
19. 根據權利要求12所述的方法，其中所述粘合層是Ge2Se3。
20. —種形成存儲器單元的方法，其包括提供襯底；在所述襯底上形成第一鎢電極；在所述第一鎢電極上形成碲化鍺層，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe100-x， x在約44與約53之間; 在所述碲化鍺層上形成硒化錫層； 在所述硒化錫層上形成第一硒化鍺層； 在所述第一硒化鍺層上形成含銀層； 在所述含銀層上形成第二硒化鍺層； 在所述第二硒化鍺層上形成第二鎢電極；以及在所述碲化鍺層中形成傳導溝道。
21. —種存儲器裝置，其包括第一電極； 第二電極；存儲器元件，其位於所述第一電極與所述第二電極之間，所述存儲器元件包括碲 化鍺層和位於所述碲化鍺層與所述第二電極之間的金屬-硫屬化物層。
22. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe100—x，其中x為約44到約53。
23. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe1M.x，其中x為約46到約51。
24. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe1o-x，其中x約為47。
25. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其進一步包括位於所述碲化鍺層內的傳導溝 道，所述傳導溝道包括所述金屬-硫屬化物材料。
26. 根據權利要求25所述的存儲器裝置，其進一步包括與所述傳導溝道相關聯的傳導 性通道，當所述存儲器裝置被編程到第一存儲狀態時提供所述傳導性通道。
27. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其中所述金屬-硫屬化物材料包括硒化錫。
28. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其進一步包括位於所述金屬-硫屬化物層與所 述第二電極之間的金屬層。
29. 根據權利要求28所述的存儲器裝置，其進一步包括位於所述金屬-硫屬化物層與所 述金屬層之間的硫屬化物玻璃層。
30. 根據權利要求29所述的存儲器裝置，其進一步包括位於所述金屬層與所述第二電 極之間的第二硫屬化物玻璃層。
31. 根據權利要求21所述的存儲器裝置，其中所述存儲器裝置是處理器系統的一部分。
32. —種存儲器單元，其包括位於襯底上的第一電極；位於所述第一電極上的碲化鍺層；位於所述碲化鍺層上的硒化錫層；位於所述硒化錫層上的第一硒化鍺層；位於所述第一硒化鍺層上的含銀層；位於所述含銀層上的第二硒化鍺層；以及位於所述第二硒化鍺層上的第二電極。
33. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe訓.x，其中x為約44到約53。
34. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe100.x，其中x為約46到約51。
35. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe1(K)-x，其中x約為47。
36. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其進一步包括位於所述碲化鍺層內的傳導溝 道，所述傳導溝道包括所述金屬-硫屬化物材料。
37. 根據權利要求36所述的存儲器單元，其進一步包括與所述傳導溝道相關聯的傳導性通道，當所述存儲器裝置被編程到第一存儲狀態時提供所述傳導性通道。
38. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中所述第一和第二硒化鍺層包括Ge2Se3。
39. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中組成所述單元的所述層垂直堆疊。
40. 根據權利要求32所述的存儲器單元，其中組成所述單元的所述層彼此接觸。
41. 一種PCRAM存儲器單元，其包括襯底；位於所述襯底上的第一鎢電極；位於所述第一鎢電極上的碲化鍺層，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe100-x， x在約44與約53之間; 位於所述碲化鍺層上的硒化錫層； 位於所述硒化錫層上的第一硒化鍺層； 位於所述第一硒化鍺層上的含銀層； 位於所述含銀層上的第二硒化鍺層； 位於所述第二硒化鍺層上的第二鎢電極；以及 位於所述碲化鍺層中的傳導溝道。
42. —種處理器系統，其包括處理器和存儲器裝置；其中所述存儲器裝置包括 第一電極； 第二電極；位於所述第一電極與所述第二電極之間的存儲器元件，所述存儲器元件包括碲 化鍺層和位於所述碲化鍺層與所述第二電極之間的金屬-硫屬化物層。
43. 根據權利要求42所述的處理器系統，其中所述碲化鍺層具有化學計量分子式 GexTe100x，其中x為約44到約53。
44. 根據權利要求42所述的處理器系統，其中所述存儲器裝置的所述碲化鍺層具有化 學計量分子式GexTe100_x，其中x為約46到約51。
45. 根據權利要求42所述的處理器系統，其中所述存儲器裝置的所述碲化鍺層具有化 學計量分子式GexTe100-x，其中x約為47。
46. 根據權利要求42所述的處理器系統，其進一步包括位於所述存儲器裝置的所述碲 化鍺層內的傳導溝道，所述傳導溝道包括所述金屬-硫屬化物材料。
47. 根據權利要求42所述的處理器系統，其進一步包括與所述傳導溝道相關聯的傳導 性通道，當所述存儲器裝置被編程到第一存儲狀態時提供所述傳導性通道。
48. 根據權利要求42所述的處理器系統，其中所述存儲器裝置的所述金屬-硫屬化物材 料包括硒化錫。
49. 根據權利要求42所述的處理器系統，其進一步包括位於所述存儲器裝置的所述金 屬-硫屬化物層與所述第二電極之間的金屬層。
50. 根據權利要求49所述的處理器系統，其進一步包括位於所述存儲器裝置的所述金 屬-硫屬化物層與所述金屬層之間的硫屬化物玻璃層。
51. 根據權利要求50所述的處理器系統，其進一步包括位於所述存儲器裝置的所述金 屬層與所述第二電極之間的第二硫屬化物玻璃層。
全文摘要
本發明揭示一種例如PCRAM的存儲器裝置(100)和形成這種存儲器裝置的方法，所述存儲器裝置包含硫屬化物玻璃骨料，其中碲化鍺玻璃(18)與例如硒化錫的金屬-硫屬化物(20)接觸。
文檔編號G11C16/02GK101233625SQ200680028186
公開日2008年7月30日 申請日期2006年5月26日 優先權日2005年6月7日
發明者克裡斯蒂·A·坎貝爾 申請人:美光科技公司