相變層及其形成方法,相變存儲器件及其製造方法

2023-12-03 13:05:31

專利名稱：相變層及其形成方法,相變存儲器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種相變層及其形成方法，尤其涉及一種在單層中具有不同 晶格的相變層及其形成方法，還涉及一種相變存儲器件及其製造方法。
背景技術：
傳統的相變存儲器或相變隨機存取存儲器(PRAM)包含一存儲節點。 相變層和電晶體可以連接至該存儲節點。根據施加的電壓，該相變層的狀態 可以由晶態轉變為非晶態，或者反之亦然。例如，當該施加的電壓為設置電 壓(set voltage )時，該相變層可以由非晶態轉化為晶態。當該施加的電壓 為重置電壓(reset voltage )時，該相變層可以由晶態轉化為非晶態。該相變 層的晶態和非晶態之一對應於數據1,而另一個對應於數據0。該相變層在晶態時的電阻可能低於該相變層在非晶態時的電阻。因此， 當相變層處於晶態時流過該相變層的電流可能大於當其處於非晶態時流過 該相變層的電流。通常，通過比較當施加讀取電壓到該相變層時測量出的電 流與參考電流，可以讀取記錄在相變層中的數據。在傳統的存儲節點中，鈦(Ti)層和氮化鈦(TiN)層可以順序地沉積 在相變層上。該相變層可以是GST (Ge2Sb2Te5)層。該TiN層可以用作頂 部電極接觸層，而該Ti層可以用作粘結層以提高TiN層的粘結力。然而，當在傳統的存儲器件中重複寫入搡作和/或讀取操作時，Ti可以 從Ti層擴散至相變層。因此，該相變層的成分和/或電阻可能改變，因此產 生缺陷。例如，在耐久試驗中由於Ti的擴散可能發生設置停止錯誤(set stuck fail)和重置停止錯誤(reset stuck fail)。這些缺陷可以通過移除Ti層或者形成較薄的Ti層來減少。然而，當移 除丁i層或者較薄地形成時，在後續工藝中在該相變層和該頂部電極之間可 能產生微起皺(micro lifting)。微起皺可能增加寄生電阻，其可以增加重置 電流。這些缺陷可能降低該相變存儲器的可靠性。隨著傳統的相變存儲器的集成度的提高，相變層和頂部電極之間的微起 皺可以通過提高它們之間的粘結力來抑制。因此，雖然Ti層需要足夠厚，但是由於上面討論的Ti擴散Ti層不可以足夠厚。結果，可能降低傳統相變存儲器的可靠性和/或集成度。 發明內容示例性實施例涉及半導體存儲器件，例如，在由相同或實質上相同的材 料形成的單層中具有不同的晶格的相變層(在這裡也稱作相變材料層)及其形成方法。示例性實施例也提供具有Ti擴散抑制層、膜或單元的相變存儲器件及其製造方法。散，雜質擴散可以惡化相變層的特性。示例性實施例也可以提供形成該相變 層的方法。至少一個示例性實施例提供相變材料層，該相變材料層具有分成上層部 分和下層部分的單層。該上層部分和該下層部分的晶格可以不同。該下層部 分可以是以摻雜雜質的硫族化物材料層。該下層部分的晶格可以是面心立方(FCC )。該上層部分可以是具有HCP晶格的未摻雜的硫族化物材料層。 根據至少一個示例性實施例，該下層部分可以是Ge-Sb-Te層、 Ge-Sb-Te-N層、As-Sb-Te-N層、As-Ge-Sb-Te-N層、Sn-Sb-Te-N層、(5A族 元素)-Sb-Te-N層、(6A族元素)-Sb-Te-N層、(5A族元素)-Sb-Se-N層以 及(6A族元素)-Sb-Se-N層中的任意一種，它們以氮#^雜。該上層部分可 以是Ge-Sb-Te層、As-Sb-Te層、As-Ge-Sb-Te層、Sn-Sb-Te層、(5A族元素) -Sb-Te層、(6A族元素)-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Se層以及(6A族元素)-Sb-Se層中的任意一種。該上層部分可以是未摻雜的硫族化物材料層。至少 一個其它的示例性實施例提供形成相變材料層的方法。根據至少這個示例性實施例，摻雜的下層可以通過供應帶有摻雜氣體的第一源材料到襯 底來形成。可以停止供應該摻雜氣體，並且可以通過供應第二源材料到該下 層上來形成非摻雜的上層。該上層和下層可以在結晶形成的溫度形成並且該 上層和下層的晶格可以是不同的。根據至少一些示例性實施例，該第 一和第二源材料可以是相同的或者不 同的。該下層和上層可以由硫族化物材料層形成，並且可以在大約250。C至大約40(TC之間形成，包含25(TC和400。C。該上層和該下層可以在不同的溫度形成。形成該摻雜的下層和形成該非摻雜的上層可以原位進行。至少一個其它示例性實施例提供相變存儲器件。根據至少該示例性實施例，該相變存儲器可以包括開關器件和連接到該開關器件的存儲節點。該存 儲節點可以包括順序沉積的下疊層(stack)、相變材料層和上疊層。該相變 材料層可以是具有上層部分和下層部分的單層。該上層部分和該下層部分的 晶格可以是不同的。至少一個其它的示例性實施例提供相變存儲器件，其包括開關器件和連接到該開關器件的存儲節點。該存儲節點可以包括順序沉積的下疊層、相 變材料層、擴散抑制膜和上疊層。該擴散抑制膜可以是非摻雜的相變材料膜。 該擴散抑制膜的晶格可以與該相變材料層的晶格不同。根據至少一些示例性實施例，相變材料層和擴散抑制膜可以由硫族化物 材料形成。該相變材料層的晶格可以是FCC並且該擴散抑制膜的晶格可以 是HCP。該上疊層可以包括順序沉積的粘結層和頂部電極。至少一個其它示例性實施例提供一種包括開關器件和連接到該開關器 件的存儲節點的相變存儲器件的製造方法。在至少這個示例性實施例中，可 以順序地形成下疊層、相變材料層和上疊層。該相變材料層可以通過提供帶 有摻雜氣體的第一源材料到襯底上形成摻雜下層來形成。可以停止供應摻雜 氣體並且可以通過提供第二源材料到下層上形成非摻雜的上層。上層和下層 可以在用於形成結晶結構的溫度形成，該上層和下層的晶格可以是不同的。在製造相變存儲器件的方法的另 一個示例性實施例中，該相變存儲器件 包括開關器件和連接到該開關器件的存儲節點，該存儲節點可以通過順序地 形成下疊層、相變材料層、擴散抑制膜和上疊層來形成。該擴散抑制膜可以 由非摻雜的相變材料膜在形成結晶結構的溫度形成，以具有與該相變材料層 的晶格不同的晶格。


示例性實施例將通過詳細描述附圖而變得更加清晰，在附圖中 圖l是根據示例性實施例由在上層和下層具有不同的晶格的單層形成的 相變層的截面圖；圖2和3是示出根據一示例性實施例形成相變層的方法的截面圖；圖4和5是示出當層是GST層時，相變層的示例性實施例中上層P2和 下層P1的每個的表面粗糙度的原子力顯微圖像的實例；圖6是示出在大約200°C和大約400°C之間包含200°C和400°C形成的摻雜氮的GST膜的X射線衍射圖樣的圖表的實例；圖7是示出在不同溫度形成的中性(normal)(非摻雜)GST膜的X射 線衍射圖樣的圖表的實例；圖8是根據示例性實施例的具有Ti擴散抑制單元的相變存儲器件的截 面圖；圖9示出了在施加重置電流後的相變存儲器件的相變層的狀態；圖10是示出了在沿圖9中的線10-10，的方向上自頂部電極至底部電極接觸層的材料成分分布的圖表的實例；以及圖11到13是示出了根據示例性實施例的製造相變存儲器件的方法的截面圖。
具體實施方式
現在將參照其中示出了 一些示例性實施例的附圖更加充分地描述各種 示例性實施例。在附圖中，為了清楚而誇大了層和區域的厚度。此處公開了詳細的說明性的示例性實施例。然而，此處公開的具體結構 和功能的細節僅僅代表用於描述示例性實施例的目的。然而，本發明可以以 多個替換形式實施，並且不應當理解為僅僅限制於此處闡述的示例性實施 例。因此，儘管示例性實施例能有多個修改或可替換的形式，其實施例通過 附圖中實例示出，並且在此詳細地描述。然而應該明白，此處並沒有意圖限 制示例性實施例為此處公開的特別形式，但是相反，示例性實施例將覆蓋落 入到本發明的範圍內的所有修改、等同特徵和替換。所有附圖描述中相同的 附圖標記代表相同的元件。應該理解，雖然這裡可使用術語第一、第二等描述各種元件，但這些元 件不應受限於這些術語。這些術語僅用於將一個元件與另一元件區別開。例 如，在不背離示例性實施例的範圍的前提下，第一元件可以稱為第二元件， 類似地，第二元件可以稱為第一元件。在此使用的術語"和/或"包括一個或 者多個相關所列項目的任一和所有組合。應該理解，當提及一個元件或者層"形成在"另一個元件或者層"上" 時，其可以是直接或者是間接形成在其它元件或者層上。即，例如，可以存 在插入的元件或者層。相反，當提及一個元件或層"直接形成在"另一個元 件"上"時，不存在插入元件或者層。應當使用相同的方式來解釋其它用於 描述元件或者層之間的關係的詞語(例如"在…之間"相對於"直接在…之 間"，"相鄰"相對於"直接相鄰，'，等等)。這裡所用的術語僅僅是為了描述特定實施例，並非要限制本發明。如此處所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數形式"一(a)"、 "一(an)" 和"該(the)"均同時旨在包括複數形式。需要進一步理解的是，術語"包 括(comprise )'，、"包括(comprising )'，、"包含(include )，， 和/或"包含 (including)",當在此使用時，指定了所述特徵、整體、步驟、操作、元件 和/或組件的存在,但並不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元 件、組件和/或其組合的存在或增加。還應當注意在 一 些可替換的實施例中，注意到功能/作用可以在附圖表述 的順序之外而產生。例如，根據所涉及的功能/作用，連續示出的兩幅附圖可將參照附圖詳細地描述在單層中具有不同晶格的相變層及其製造方法、 具有Ti擴散抑制單元的相變存儲器件及其製造方法的示例性實施例。在附 圖中，為了清楚而誇大了層或者區域的厚度。圖1是根據示例性實施例的相變層(此處也稱作相變材料層)的截面圖。參照圖1,相變層PL可以包括下屠(或部分)Pl和上層(或部分)P2。 該下層P1和該上層P2可以順序地形成。下層P1的厚度tl可以在大約10nm 到大約100nm之間，包含端值。上層P2的厚度t2可以在大約5nm到大約 30nm之間，包含端值。該厚度tl和t2可以在形成相變層PL時調整。該下 層Pl和該上層P2可以在摻雜程度上不同，但是可以由相同或者基本上相同 的材料形成。例如，下層Pl可以是以氮等摻雜的GST層(例如Ge2Sb2Te5 等)，而上層P2可以是沒有雜質的GST層。因為下層和上層P1和P2由相同或者基本上相同的材料形成，所以該相 變層PL可以包括單層。為了清楚和便於分類，附圖中示出了位於下層和上 層Pl和P2之間的分界線。下層P1的晶格可以是面心立方(FCC)，而上層P2的晶格可以是六方 密堆積(HCP)。下層P1可以是除GST層之外的硫族化物層，例如，Ge-Sb-Tc-N層、 As-Sb-Te-N層、As-Ge-Sb-Te-N層、Sn-Sb-Te-N層、(5A族元素)-Sb-Te-N 層、(6A族元素)-Sb-Te-N層、(5A族元素)-Sb-Se-N層以及(6A族元素) -Sb-Se-N層，它們可以是摻雜雜質的。在一個實例中，下層P1可以是以一 給定濃度摻雜雜質的GST層。例如，該下層P1可以是以大約2wt。/。的雜質 (例如，氮)濃度摻雜的GST層。上層P2可以是除GST層之外的非摻雜的疏族化物層。例如該上層P2 可以是Ge-Sb-Te層、As-Sb-Te層、As-Ge-Sb-Te層、Sn-Sb-Te層、(5A族元 素)-Sb-Te層、(6A族元素)-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Se層以及(6A 族元素)-Sb-Se層。圖2和3是示出根據示例性實施例形成相變層一方法的截面圖。參照圖2，該下層P1可以形成在襯底8上到第一厚度tl。該下層P1可 以是以上參照圖1描述的摻雜雜質的硫族化物層。當該下層Pl是摻雜氮的 GST層時，例如，該下層Pl可以通過將用於GST沉積的源材料與摻雜氮氣 一起供應到襯底8來形成。用於GST沉積的源材料可以使用濺射沉積方法、 化學氣相沉積(CVD)、有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)等來供應。當 使用CVD或者MOCVD時，用於GST層的源材料可以以前驅體的形式供應。在形成該下層P1時，氮的摻雜濃度可以在大約1%至大約10%之間， 包括端值。在一個實例中，氮的摻雜濃度可以為大約2%。沉積溫度可以在 約250。C至約400。C之間，包含端值。在一個實例中，沉積溫度可以為大約 300°C。這樣的沉積工藝可以進行直到下層Pl的第一厚度tl在約10nm到約 1 OOnm之間，包括端值。如上面所述^成的下層P1的晶格可以具有面心立 方(FCC)格子，在下文中將更加詳細地描述。參照圖3,上層(或部分)P2可以形成在下層(或部分)Pl上到第二 厚度t2。上層P2可以由參照圖1描述的非摻雜的硫族化物材料形成。上層 P2可以由和下層P1相同或者基本上相同的方式來形成，除了當形成上層P2 時沒有供應摻雜氣體。根據至少這個示例性實施例，在下層P1形成到第一 厚度11之後，該工藝可以通過停止供應摻雜氣體同時保持其它工藝條件來在 原位繼續。因為在停止供應摻雜氣體後該工藝可能形成上層P2，所以可以 繼續該工藝直到上層P2的第二厚度t2。根據至少這個示例性實施例，用於 形成下層P1和上層P2的工藝可以是一個連續的工藝，或者可選擇地，是形 成單層的兩個單獨的工藝。如圖3所示，非摻雜的硫族化物材料可以被沉積在下層Pl上。如上所 述形成的上層P2的晶格可以與下層P1不同。例如，上層P2的晶格可以是HCP，其在下文中將更詳細地描述。當上層P2是GST層(例如中性GST層)時，例如，可以在形成下層 Pl後通過繼續形成下層的工藝來形成上層P2，但是沒有摻雜氣體(例如氮) 的供應。可以繼續該工藝直到具有約5nm和約30nm之間(包含端值)的厚 度的上層P2形成在下層P1上。通過上述工藝，其中上部和下部晶格不同的 單相變層PL可以形成在襯底8上。在另一個示例性實施例中，下層Pl和上層P2可以通過改變形成下層 Pl和上層P2的溫度在上述的連續原位工藝中形成。在這個實例中，下層P
和上層P2的形成溫度可以如此設置，以使下層Pl的晶格形成為KX而使 上層P2的晶格形成為HCP。例如，當相變層PL是GST層時，下層Pl可 以根據上面所描述的工藝條件來形成。上層P2可以根據上面所描述的用於 下層P1的工藝條件來形成，但是在與約250。C至約40(TC之間包含端值的下 層P1的溫度不同的溫度。例如，上層P2可以在大約180。C或者約25(TC的 溫度形成，並且沒有供應摻雜氣體。圖4和5是示出了當層Pl和P2是GST層時，上層P2和下層Pl的每 個的表面粗糙度的原子力顯微圖像的實例。如圖4和5所示，在上層P2和 下層P1之間的表面粗糙度並沒有顯著差異。在這個實例中，圖4中上層P2 的表面粗糙度為約2.2nm而圖5中的下層Pl的粗糙度為約1.8nm。在上層 P2和下層Pl之間的表面粗糙度的差異為約0.4nm。這樣，在由上層P2和下 層P1形成的單位單元的相變層之間有較小的形貌差異。圖6是示出分別形成在約20(TC和約40(TC的摻雜氮的GST膜的X射線 衍射圖樣的圖表的實例。如圖6所示，分別在約20(TC和約400。C的溫度形 成的摻雜氮的GST膜的X射線衍射圖樣G1和G2的所有晶體峰值是一致的。 該X射線衍射圖樣Gl和G2示出在約200"C和約40(TC形成的摻雜氮GST 膜具有FCC晶格結構。圖7是示出在不同溫度形成的中性(非摻雜)GST膜的X射線衍射圖 樣的圖表的實例。參照圖7，出現在分別在約15(TC和約200。C的溫度形成的 中性GST膜的X射線衍射圖樣G22和G33中的峰(下文中稱作第一峰)主 要產生在晶面(200)和(220)上。這意味著在約15(TC和約20(TC形成的 中性GST膜的晶格是FCC。圖7中進一步示出，出現在分別在約250。C和約30(TC的溫度形成的中 性GST膜的X射線衍射圖樣G44和G55中的峰(下文中稱作第二峰)與第 一峰不同。該第二峰與在中性GST膜的晶格為HCP時產生的峰相同。這樣， 如圖7所示，當中性GST膜在約250'C和約300。C形成時，該晶格可以是 HCP。在圖7中，在大約室溫形成的中性GST膜的X射線衍射圖樣Gll中 有較小的晶體峰。這一結果意味著在室溫(例如一低於約150。C的溫度)下 形成的GST膜可以是非晶的且不具有晶格。如圖6和7所示，根據示例性實施例的方法，在約30(TC形成的相變層 PL的第一層Pl可以是摻雜氮的GST層並且可以具有FCC晶格。在約300 。C形成的相變層PL的第二層P2可以是具有HCP晶格的中性GST層。圖8是示出根據示例性實施例的具有Ti擴散抑制(例如防止)單元的 相變存儲器件的截面圖。參照圖8,可以在襯底IO上形成第一和第二雜質區 域12和14。在襯底10上該第一和第二雜質區域12和14可以彼此分離。第 一和第二雜質區域12和14可以通過以導電雜質例如氮等摻雜該襯底來形 成。第一和第二雜質區域12和14中的一個可以是源極而另一個可以是漏極。柵極疊層20可以形成在第一和第二雜質區域12和14之間的襯底10 上。溝道區16可以形成在第一和第二雜質區域12和14之間的柵極疊層20 下面。該柵極疊層20可以包括柵極絕緣膜18和柵極電極19。絕緣膜8和 柵極電極19可以順序地堆疊。其上形成有第一和第二雜質區域12和14的 襯底10的部分和柵極疊層20 —起形成電晶體。第一絕緣夾層22可以形成在襯底10上。第一絕緣層22可以覆蓋該晶 體管。在該第一絕緣夾層22中可以形成第一接觸孔hl。該第一接觸孔hl 可以暴露至少第二雜質區域14的表面的一部分。第一接觸孔hl可以以導電 插塞(conductive plug) 24填充。底部電極30可以形成在該第一絕緣夾層 22上。該底部電極30可以覆蓋在第一接觸孔hl中的導電插塞24的暴露表 面。第二絕緣夾層32可以沉積在第一絕緣夾層22上。該第二絕緣夾層32 可以覆蓋底部電極30。第二接觸孔h2可以形成在第二絕緣夾層32中。第二 接觸孔h2可以暴露底部電極30的一部分。第二接觸孔h2可以以底部電極接觸層30a填充。該底部電極30和底部 電極接觸層30a可以形成下疊層。底部電極接觸層30a可以是例如TiN、 TiA1N 等的導電材料層。該第二絕緣夾層32可以是與第一絕緣夾層22相同或基本 上相同的材料層。覆蓋底部電極接觸層30a的暴露表面的相變層34可以形成在第二絕緣夾層32上。可以在相變層34上順序地沉積粘結層36和頂部 電極38。粘結層36和頂部電極38可以形成上疊層。粘結層36可以是Ti 層等，且該頂部電極38可以是TiN電極等。下疊層、相變層34和上疊層可 以組成存儲節點S。相變層34可以包含下層(或部分)34a和上層(或部分)34b。可以順 序地形成下層34a和上層34b。相變層34可以與以上參照圖1描述的相變層 PL相同或者基本上相同。這樣，下層34a和上層34b可以分別與下層Pl和 上層P2相同或者基本上相同。下層34a的晶格可以是FCC而上層34b的晶 格可以是HCP。下層34a和上層34b的其它的規格和/或特徵可以分別與下 層P1和上層P2的規格和/或特徵相同或者基本上相同。圖9示出了在施加重置電流後的相變存儲器件的相變層68的狀態(或 者相)。如圖9所示，覆蓋底部電極接觸層62的上表面的相變層68的第一 區域64可以是非晶的。第一區域64可以是其中由於重置電流產生的熱而使 相由晶態轉變到非晶態的區域。由重置電流產生的熱量可以經由第一區域64 傳輸到相變層68的另 一個區域。傳輸到第 一 區域64外部的熱量可能不足以 將相變層68的狀態改變到非晶態，但是足以改變相變層68的晶格。因此， 圍繞相變層68的第一區域64的局部區域66(下文中稱作第二區域)的相可 以未變成非晶，但是晶格可以由FCC變為HCP。此外，傳輸到相變層68的第二區域66的外部的熱量可能不足以改變晶 格。因此，除了相變層的第一和第二區域64和66以外的區域的相和晶格可 以保持與在施加重置電流之前相同的結晶狀態和FCC晶格結構。在圖9中， 示出了絕緣夾層60、粘結層(Ti層)70和頂部電極80。圖10是示出在沿圖9中線10- IO，方向上的自頂部電4及80至底部電極 接觸層62的材料成分分布的圖表的實例。圖10的圖表使用頂部電極80的 上表面作為參考點來描述。在圖10中，第一到第五曲線Cl - C5分別顯示 了 Ti、 W、 Te、 Sb和Ge的分布。第一至第五部分Tl - T5分別對應包括頂 部電極80和Ti粘結層70的區域、相變層68的第二區域66與Ti粘結層70 之間的區域、相變層68的第二區域66、相變層68的第一區域64和底部電 極^接觸層62。在圖10中，如第一曲線C1所示，儘管可能是相對較小的量，但是Ti 可以分布在第二到第四部分T2-T4之間。結果，粘結層70中的Ti可以向 下擴散。圖IO中還示出，Ti可以在第一部分Tl中分布最多且在第二部分T2的起點附近減少。在對應相變層68的第二區域66的第三部分T3的起點 處，Ti又可能減少。因此，在相變層68的第一區域64 (例如非晶區域)中 的Ti的分布可能減少(例如變得較小)。如圖10所示，第三部分T3的存在 可以抑制Ti的擴散。第三部分T3可以是相變層68的第二區域66所位於的 區域。相變層68的第二區域66和其它區域之間的不同可以是第二區域66 的晶格是HCP。因此，具有HCP晶格的相變層可以用作抑制和/或防止Ti 擴散的阻擋層。考慮到根據示例性實施例的在相變存儲器件的相變層34中的上層3牝 的晶格是HCP，上層34b可以作為阻擋層來抑制和/或防止雜質(例如Ti) 從形成在上層34b上的材料層擴散。例如，上層34b可以作為阻擋層來抑制 和/或防止雜質(例如Ti)從粘結層36擴散至相變層34。現在將關於圖11-13描述根據示例性實施例的製造相變存儲器件的方法。參照圖11，柵極疊層20可以形成在襯底10的一給定區域上。該柵極疊 層20可以通過在襯底10上順序地沉積柵極絕緣膜18和柵極電極19來形成.. 可以用該柵極疊層20作為掩模將導電雜質離子注入到襯底10中。該導電雜 質可以是，例如，n型雜質。由於注入了導電雜質，該第一和第二雜質區域 12和14可以在該柵極疊層20的相對側的襯底10中或襯底10上形成。根據 至少這個示例性實施例，第一和第二雜質區域12和14中的一個可以為源極， 而另 一個可以為漏極。第 一和第二雜質區域12和14以及4冊才及疊層20可以 組成還稱作開關器件的電晶體。在第一和第二雜質區域12和14之間的襯底 10的在柵極絕緣膜18之下的區域可以稱作溝道區域16。該第一絕緣夾層22可以形成在襯底10上。該第一絕緣夾層22可以覆 蓋電晶體。該第一絕緣夾層22可以由例如Si0、、 SiOxN、.等的介電材料形成。 第一接觸孔hl可以形成在第一絕緣夾層22中。第一接觸孔hi可以暴露第 二雜質區域14的至少一部分。導電插塞24可以通過用導電材料填充第 一接 觸孔hl來形成。底部電極30可以形成在第一絕緣夾層22上。底部電極30 可以覆蓋導電插塞24的露出表面。底部電極30可以由TiN、 TiAlN等形成。 底部電極30也可以由矽化物形成，該矽化物包括選自於包括Ag、 Au、 Al、 Cu、 Cr、 Co、 Ni、 Ti、 Sb、 V、 Mo、 Ta、 Nb、 Ru、 W、 Pt、 Pd、 Zn、 Mg 及其組合等的一組金屬離子中的任意一種。底部電極30可以使用CVD、 ALD、通過金屬離子注入的熱處理等來形成，但是示例性實施例不限於此。參照圖12,該第二絕緣夾層32可以形成在第一絕緣夾層22上。該第二 絕緣夾層32可以覆蓋底部電極30。第二絕緣夾層32可以由例如Si、、 Si、N、 等的介電材料形成。暴露底部電極30的部分上表面的第二接觸孔h2可以形 成在第二絕緣夾層32中。底部電極接觸層30a可以通過用TiN、 TiAlN等填 充第二接觸孔h2來形成。參照圖13，相變層34可以形成在第二絕緣夾層32上。相變層34可以 覆蓋底部電極接觸層30a的上表面。粘結層36和頂部電極38可以順序地沉 積在相變層34上。可以通過在第二絕緣夾層32上沉積(例如順序沉積)下 層34a和上層34b來形成相變層34。相變層34可以與圖1中的相變層PL 相同或者基本上相同，因此，下層34a和上層34b可以使用以上參照圖2和 3描述的形成下層Pl和上層P2的方法的示例性實施例來形成。下層34a和 上層34b可以由分別與形成下層Pl和上層P2的材料相同或者基本上相同的 材料形成。在形成頂部電極38後，可以在頂部電極38上形成光致抗蝕劑圖形50。 光致抗蝕劑圖形50可以限定出形成圖8中的存儲節點S的區域。可以使用 該光致抗蝕劑圖形50作為蝕刻掩模來蝕刻(例如順序蝕刻)頂部電極38、 粘結層36和相變層34。可以移除光致抗蝕劑圖形50來形成相變存儲器件的 示例性實施例。根據示例性實施例，取代將相變層34形成為包含用作擴散抑制(例如 防止)層的上層34b的單層，相變層34可以形成具有下層34a並且擴散抑 制膜可以形成在相變層34和粘結層.36之間。擴散抑制膜可以形成為與上述 上層34b相同或者基本上相同。雖然為了簡潔的緣故在此沒有詳細地描述，但是當保持如上文所述的上 層34b或者從相變層34分離上層34b時，可以修改該存儲節點的結構。可 選擇地，底部電極接觸層可以更直接地接觸電晶體而不通過底部電極和/或導 電插塞。雖然此處討論的是由相同或者基本上相同的相變材料形成，但是相 變層的上層和下層可以由不同的相變材料形成。在根據示例性實施例的相變存儲器件中，相變層可以是包括上層和下層是具有HCP晶格的相變材料層，而下層可以具有FCC晶格。可選擇地，在示例性實施例中，相變層可以僅由具有FCC晶格的下層 形成，且具有HCP晶格的相變材料層可以單獨地形成作為在相變層和粘結層之間的擴散抑制層或膜。因此，根據示例性實施例的相變存儲器件可以包括在相變層本身中或者 在相變層和其上部結構之間的擴散抑制膜。這樣的擴散抑制膜可以降低和/ 或防止Ti從包含Ti的粘結層中擴散到相變層。如上所述，根據示例性實施例的相變存儲器件可以抑制、降低和/或防止Ti擴散到相變層，這可以減少相變層的缺陷。因為提供了擴散抑制膜，具有足夠厚度的粘結層可以形成在相變層和頂部電極之間。因此，在相變層和頂 部電極間的粘結力可以隨著相變存儲器件的集成度的提高而提高。因此，可 以抑制和/或防止在相變層和頂部電極之間的界面發生微起皺。根據示例性實施例，但是與常規技術相反，無需增加在相變存儲器件中 的重置電流。因此，根據示例性實施例的存儲器件可以由一給定的或者期望 的重置電流來搡作，從而可以改善存儲器件的操作可靠性，和/或可以提高存 儲器件的集成度。在示例性實施例中，相變材料膜可以包括硫族化物合金，例如鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)、砷-銻-碲(As-Sb-Te)、錫-銻-碲(Sn-Sb-Te )或者錫-銦-銻-碲 (Sn-In-Sb-Te )、砷-鍺-銻-碲(As-Ge-Sb-Te )。可替換地，相變材料膜可以包 括VA族元素-銻-碲，例如鉭-銻-碲(Ta-Sb-Te)、鈮-銻-碲(Nb-Sb-Te )或者 釩-銻-碲(V-Sb-Te )，或者VA族元素-銻-硒，例如鉭-銻-硒(Ta-Sb-Se )、鈮 -銻-硒(Nb-Sb-Se)或者釩-銻-硒(V-Sb-Se)。此外，相變材料膜可以包括 VIA族元素-銻-碲，例如鵠-銻-碲(W-Sb-Te)、鉬-銻-碲(Mo-Sb-Te )或者鉻 -銻-碲(Cr-Sb-Te ),或者VIA族元素-辨-硒，例如鎢-銻-硒(W-Sb-Sc )、鉬-銻-硒(Mo-Sb-Se)或者鉻-銻-硒(Cr-Sb-Se)。雖然上面描述的相變材料膜主要是由三元相變硫族化物合金形成，但是 相變材料的硫族化物合金可以選自二元相變硫族化物合金或者四元相變硫 族化物合金。例如，二元相變硫族化物合金的實例可以包括Ga-Sb, fn-Sb、 In-Se、 Sb2-Te3或者Ge-Te合金的一種或者多種；四元相變^L族化物合金的 實例例如可以包括Ag-In-Sb-Te 、 (Ge-Sn)-Sb-Te 、 Ge-Sb-(Se-Tc)或者 Te8 ,-Ge, 5-Sb2-S2合金的 一種或者多種。在一示例性實施例中，如上所述，相變材料膜可以由具有多重電阻狀態 (multiple resistance states )的過渡金屬氧化物來製造。例如，相變材料可以 由選自由NiO、 Ti02、 HfO、 Nb205、 ZnO、 W03和CoO或者GST(Ge2Sb2Te5) 或者PCMO(Pi-xCa,-xMn03)組成的組中至少一種材料形成。相變材料膜可以是包括一種或者多種選自由S、 Se、 Te、 As、 Sb、 Ge、 Sn、 In和Ag組成的 組中的元素的化合物。雖然示例性實施例參照在附圖中示出的那些被具體地展示或者描述，對 於本領域技術人員應該理解可以在不脫離由附加的權利要求限定的本發明 的精神和範圍的前提下進行在形式和細節上的各種變化。
權利要求
1. 一種相變材料層，包括單層，包括上層部分和下層部分，該上層部分和該下層部分的晶格不同。
2、 如權利要求1所述的相變材料層，其中該下層部分是摻雜雜質的硫 族化物材料層。
3、 如權利要求2所述的相變材料層，其中該下層部分是選自由摻雜氮 的Ge-Sb-Te層、Ge-Sb-Te-N層、As-Sb-Te-N層、As-Ge-Sb-Te-N層、Sn-Sb-Te-N 層、(5A族元素)-Sb-Te-N層、(6A族元素)-Sb-Te-N層、(5A族元素)-Sb-Se-N層以及(6A族元素)-Sb-Se-N層組成的組中的一種。
4、 如權利要求2所述的相變材料層，其中該上層部分是非摻雜的疏族 化物材料層。
5、 如權利要求1所述的相變材料層，其中該下層部分的晶格是面心立 方晶格。
6、 如權利要求1所述的相變材料層，其中該上層部分是非摻雜的疏族 化物材料層。
7、 如權利要求6所述的相變材料層，其中該上層部分是選自由Ge-Sb-Te 層、As-Sb-Te層、As-Ge-Sb-Te層、Sn-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Te層、(6A族元素)-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Se層以及(6A族元素)-Sb-Se 層組成的組中的一種。
8、 如權利要求1所述的相變材料層，其中該上層部分的晶格是六方密 堆積晶格。
9、 一種相變存儲器件，包括 開關器件；和連接到該開關器件的存儲節點，該存儲節點包括， 下疊層，權利要求1的所述相變材料層，和 上疊層，其中該下疊層、該相變材料層和該上疊層被順序地沉積。
10、 如權利要求9所述的相變存儲器件，其中該下層部分是摻雜雜質的硫族化物材料層。
11、 如權利要求10所述的相變存儲器件，其中該下層部分是選自由摻雜氮的Ge-Sb-Te層、Ge-Sb-Te-N層、As-Sb-Te-N層、As-Ge-Sb-Tc-N層、 Sn-Sb-Te-N層、(5A族元素)-Sb-Te-N層、(6A族元素)-Sb-Te-N層、(5A 族元素)-Sb-Se-N層以及(6A族元素)-Sb-Se-N層組成的組中的一種。
12、 如權利要求10所述的相變存儲器件，其中該上層部分是非摻雜的 硫族化物材料層。
13、 如權利要求9所述的相變存儲器件，其中該下層部分的晶格是面心立方晶格。
14、 如權利要求13所述的相變存儲器件，其中該上層部分的晶格是六 方密堆積晶格。
15、 如權利要求9所述的相變存儲器件，其中該上層部分的晶格是六方 密堆積晶格。
16、 如權利要求9所述的相變存儲器件，其中該上層部分是非摻雜的硫 族化物材料層。
17、 如權利要求16所述的相變存儲器件，其中該上層部分是選自由 Ge-Sb-Te層、As-Sb-Te層、As-Ge-Sb-Te層、Sn-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Te 層、(6A族元素)-Sb-Te層、(5A族元素)-Sb-Se層以及(6A族元素)-Sb-Se 層組成的組中的一種。
18、 如權利要求9所述的相變存儲器件，其中該上疊層包括順序沉積的 粘結層和頂部電極。
19、 一種形成相變材料層的方法，該方法包括通過將第 一 源材料和摻雜氣體供應到襯底上來形成摻雜的下層； 停止供應該摻雜氣體；並且通過將第二源材料供應到該下層上來形成非摻雜的上層；其中 所形成的非摻雜的上層和摻雜的下層的晶格是不同的。
20、 如權利要求19所述的方法，其中該第一源材料和該第二源材料是 相同的。
21、 如權利要求19所述的方法，其中該摻雜的下層和非摻雜的上層由 硫族化物材料層形成。
22、 如權利要求19所述的方法，其中該非摻雜的上層和該摻雜的下層 在用於形成結晶晶格的溫度下形成。
23、 如權利要求19所述的方法，其中該非摻雜的上層和該摻雜的下層 在約250。C至約400"C之間形成，包括端值。
24、 如權利要求19所述的方法，其中該非摻雜的上層和該摻雜的下層 在不同的溫度形成。
25、 如權利要求19所述的方法，其中該第一源材料和該第二源材料是 不同的。
26、 如權利要求19所述的方法，其中該非摻雜的上層的晶格是六方密 堆積晶格。
27、 如權利要求26所述的方法，其中該摻雜的下層的晶格是面心立方 晶格。
28、 如權利要求19所述的方法，其中該摻雜的下層的晶格是面心立方晶格。
29、 如權利要求19所述的方法，其中該摻雜的下層的形成和該非摻雜 的上層的形成原位進行。
30、 一種製造相變存儲器件的方法，該方法包括 通過順序地形成下疊層、相變材料層和上疊層來形成存儲節點；其中該相變材料層是根據權利要求19所述的方法形成的。
31、 如權利要求30所述的方法，其中該第一源和該第二源是相同的。
32、 如權利要求30所述的方法，其中該摻雜的下層和該非摻雜的上層 由石克族化物材料層形成。
33、 如權利要求30所述的方法，其中該非摻雜的上層和該摻雜的下層 在約250。C至約40(TC之間形成，包括端值。
34、 如權利要求30所述的方法，其中該非摻雜的上層和該摻雜的下層 在不同的溫度下形成。
35、 如權利要求30所述的方法，其中該第一源和該第二源彼此是不同的。
36、 如權利要求30所述的方法，其中該非摻雜的上層的晶格是六方密 堆積晶格。
37、 如權利要求36所述的方法，其中該摻雜的下層的晶格是面心立方 晶格。
38、 如權利要求30所述的方法，其中該摻雜的下層的晶格是面心立方晶格。
39、 如權利要求30所述的方法，其中該摻雜的下層的形成和該非摻雜 的上層的形成原位進行。
40、 如權利要求30所述的方法，其中該上疊層通過順序地沉積粘結層 和頂部電4及來形成。
41、 一種相變存儲器件，包括 開關器件；和連接到該開關器件的存儲節點；該存儲節點包括， 下疊層， 相變材料層， 擴散抑制膜，和 上疊層，該下疊層、該相變材料層、該擴散抑制膜和該上疊層被順序地沉積，其中該擴散抑制膜是非摻雜的相變材料膜，並且該擴散抑制膜的晶 格與該相變材料層的晶格不同。
42、 如權利要求41所述的相變存儲器件，其中該相變材料層和該擴散 抑制膜由硫族化物材料形成。
43、 如權利要求41所述的相變存儲器件，其中該相變材料層的晶格是 面心立方晶格並且該擴散抑制膜的晶格是六方密堆積晶格。
44、 如權利要求41所述的相變存儲器件，其中該上疊層包括順序沉積 的粘結層和頂部電^L
45、 一種製造相變存儲器件的方法，該方法包括通過順序地形成下疊層、相變材料層、擴散抑制膜和上疊層來形成存儲 節點；其中該擴散抑制膜由非摻雜的相變材料膜形成且形成為具有不同於該 相變材料層的晶格的晶格。
46、 如權利要求45所述的方法，其中該相變材料層和該擴散抑制膜由好u族化物材津十形成。
47、 如權利要求45所述的方法，其中該相變材料層和該擴散抑制膜在 約250。C至約40(TC形成，包括端值。
48、 如權利要求45所述的方法，其中該相變材料層和該擴散抑制膜在 不同的溫度下形成。
49、 如權利要求45所述的方法, 晶格。
50、 如權利要求49所述的方法， 積晶格。
51、 如權利要求45所述的方法, 積晶格。
52、 如權利要求45所述的方法， 和頂部電一及來形成。其中該相變材料層的晶格是面心立方 其中該擴散抑制膜的晶格是六方密堆 其中該擴散抑制膜的晶格是六方密堆 其中該上疊層通過順序地沉積粘結層
全文摘要
本發明涉及一種相變材料層及其形成方法，相變存儲器件及其形成方法。該相變材料層是包括上層部分和下層部分的單層。上層部分和下層部分的晶格是不同的。相變材料層通過供應帶有摻雜氣體的第一源到襯底形成摻雜的下層而形成。停止該摻雜氣體的供應並且通過供應第二源到下層上而形成非摻雜的上層。形成上層和下層使得該上層和下層的晶格不同。
文檔編號H01L27/24GK101271960SQ200710185759
公開日2008年9月24日 申請日期2007年12月14日 優先權日2006年12月15日
發明者樸柱哲, 申雄澈 申請人:三星電子株式會社