使用銻-硒金屬合金的相變存儲裝置及其製作方法

2023-10-29 01:01:12

專利名稱：使用銻-硒金屬合金的相變存儲裝置及其製作方法
技術領域：
本發明涉及非易失性相變存儲裝置及其製作方法，更具體而言涉及使用由銻(Sb)和礎(Se)組成的硫族化物金屬合金的相變存儲裝置及其製作方法。
技術背景半導體存儲裝置通常分類為易失性或非易失性。DRAM (動態隨機存取 存儲器)為典型的易失性存儲裝置。DRAM需要周期性更新過程來維持數據。 當存儲裝置的集成度低時，該更新過程的功耗不顯著。然而，隨著集成度更 高，功耗也大幅增加。例如，在1至10ms/兆比特的更新速率，DRAM消耗 大量能量。1千兆比特DRAM的更新過程佔據了裝置的總功耗的大部分。然 而，DRAM存儲器模塊被廣泛使用，因為其高功耗被高速度和有竟爭力的價 格所彌補。如果易失性DRAM可以用非易失性存儲裝置來替代，則功耗和操作初 始化周期的減小被預期。因此，各種非易失性存儲器技術已經被發展。技術 上最先進且使用最廣泛的非易失性存儲器為快閃記憶體存儲器。然而，快閃記憶體存儲器 慢且使用較高電壓。這些問題限制了快閃記憶體存儲器用於諸如數位相機和移動電 話的移動裝置。存儲裝置所需的重要性能之一是重寫操作中的可靠性。儘管 快閃記憶體存儲器在重寫性能方面可靠性低，但是當快閃記憶體存儲器用於諸如個人數字 助理的移動裝置時，重寫操作數目可以設置為更小。然而，移動裝置中快閃記憶體 存儲器在重寫方面的這種可靠性不能保證在通用PC中的穩定操作。恰當地組合DRAM/SRAM/快閃記憶體存儲器的方法被使用以滿足最近存儲裝 X的各種要求。然而，這種方法昂貴且大幅增加存儲器晶片的尺寸。因此， 需要可以穩定地安裝到各種裝置內或者可以用於各種應用的集成存儲裝置。 該集成存儲裝置要求具有諸如非易失性、高速、低功耗、以及高度可靠的重 寫的特性。然而，具有所有這些特性的半導體存儲裝置尚未商業生產。因此， 各種非易失性存儲裝置技術正蓬勃發展，且已經努力尋找這些技術在各個方 面的發展可能性和商業使用。同時，稱為相變RAM (PRAM)的非易失性存儲裝置利用了根據晶體 結構來改變電阻的相變材料。PRAM裝置通過控制電流以改變相變材料的晶 體結構而存儲信息，以及利用電阻的變化來讀取所存儲的信息，由此實現其 存儲操作。PRAM裝置可以使用疏族化物金屬合金相變材料，該相變材料主要用於 諸如CD-RW或DVD的光學信息存儲介質。此外，由於PRAM裝置的制 作工藝與傳統矽基板裝置的製作工藝緊密匹配，PRAM裝置可以達到或超過 DRAM的集成密度。磁阻RAM ( MRAM )裝置和鐵電RAM ( FRAM )裝 置與PRAM裝置竟爭，但是存在製造工藝及微型化困難的問題。因此，PRAM 裝置作為可以替代當前快閃記憶體存儲裝置的主流的下一代非易失性存儲裝置而 引起注意。然而，PRAM裝置的功耗必需大幅減小以使PRAM裝置變得實用。如 上所述，由於PRAM裝置是通過施加電流到電阻器並使用焦耳熱來改變相 變材料的晶體結構而被驅動，功耗可能高。由於功耗問題，PRAM裝置近年 來已經開始受到很大重視，即使其與其它非易失性存儲裝置相比具有優點。也就是說，當PRAM裝置使用傳統更大的半導體裝置的製造工藝來制 作時，產生整個系統無法耐受的過量功率和熱，由此使得無法實現實用的存 儲裝置。然而，由於設計規則和裝置尺寸持續減小，當PRAM裝置根據目 前常用設計規則來製作時，操作PRAM裝置所需的功耗可以顯著降低。降 低操作PRAM裝置所需的電流與PRAM裝置的高密度集成緊密相關。需要 發展一種低功率裝置，從而保證高密度PRAM裝置的可靠的存儲器操作。 在該低功率裝置中，相變存儲器陣列的功耗低。除了低功耗的益處之外，使用低功率裝置可以獲得的另一重要益處為降 低的熱發生。具體而言，存儲於存儲裝置內的信息不應被當特定的鄰近存儲 裝置工作產生的熱所破壞或改變。特別地，在單元非常緊密布置的高度集成 的存儲器陣列中，由特定存儲器單元的工作而產生的熱會成為噪聲並中斷鄰 近單元的存儲器操作。下述方法被應用於降低PRAM裝置工作所需的電流。 (1 )第 一種方法是從材料方面的途徑。通過使用具有較低熔點的材料， 改進相變材料以降低相變所需的溫度，由此降低所需的電流。該方法通過改 變相變材料本身來降低整個PRAM裝置的功耗，而與裝置結構無關。(2) 第二種方法是通過最小化相變區域來降低所需的電流水平，其中 該相變區域是PRAM裝置的操作涉及到的重要部分。PRAM裝置由於在相 變材料和電極之間的接觸部分內產生的熱而改變相。因此，PRAM裝置的總 功耗由於最小化該接觸部分而降低。目前，該方法使用最廣泛。(3) 第三種方法是優化PRAM裝置的結構，從而充分利用裝置內的相 變材料的熱能。然而，即使在接觸部分內產生的熱可以如上述第二種方法所 述通過最小化相變區域而降低，如果所產生的熱能無法有效利用，則需要施 加較大數量的電流。因此，在該方法中，合適的裝置結構被設置，使得施加 於相變區域的熱可以無洩漏地被充分利用以改變相變材料的相，由此最小化 該相變存儲器的總功耗。當相變存儲裝置使用上述三種方法的組合來製造時，操作該相變存儲裝 置所消耗的功率可以最大程度降低。相變材料是由鍺(Ge)-銻(Sb)-碲(Te)組成的硫族化物金屬合金。最常見的 成份為Ge2Sb2Te5 (GST)，其中鍺-銻-碲的成份的比例是2:2:5。由於該GST公知的。因此，GST可以容易地應用於PRAM裝置。目前，大多數PRAM 裝置使用GST。使用GST相變材料的半導體存儲裝置(下文中稱為GST存儲裝置)的 集成密度可以增大到256Mb的容量，且GST存儲裝置的操作特性令人非常 滿意(見S丄Ahn et al" Tech. Dig. Symp. VLSI Tech 2005, ppl8-19 )。在尋找 下一代非易失性存儲裝置中，需要極大改進的工藝和技術以超過該集成密 度。由於製作工藝困難，FRAM或MRAM裝置只能達到16至32Mb。因此， PRAM具有出色的按比例縮放特性，且是今天的快閃記憶體存儲器的重要替代品。非易失性PRAM裝置在高密度存儲器模塊中必需更可靠地工作以替代 傳統快閃記憶體存儲器。千兆比特的非易失性PRAM裝置需要改進的相變材料。 由於傳統GST相變材料具有高的熔點(約620°C ),工作電流的減小受限制。 此外，為了提高DRAM的工作速度，需要發展具有更高相變速度，具體地 更高結晶速度的相變材料。通過改善裝置結構或者驅動電路的架構，可以部分地實現功耗的降低和 工作速度的提高。然而，由於這增加了製造複雜性並降低了裝置特性的均勻性，因此期望改善PRAM裝置的特性同時維持傳統PRAM裝置結構、製作 工藝和驅動電路架構。與GST相比具有更低熔點和更高結晶速度的新型相變材料將可以實現 廉價且容易地製作高速、低功耗的非易失性PRAM裝置。發明內容技術問題本發明提供了 一種相變非易失性存儲裝置，其可以低功耗地高速工作， 並使用具有低熔點和高結晶速度的相變材料來製作。本發明還提供了 一種非易失性相變存儲裝置的製作方法，其中該非易失 性相變存儲裝置可以低功耗地高速工作，並使用具有低熔點和高結晶速度的 相變材料來製作。技術方案根據本發明一方面，提供了一種相變存儲裝置，包括熱發生電極層； 以及第一絕緣層，部分覆蓋該熱發生電極層，露出部分的熱發生電極層，且 其中具有孔。該相變存儲裝置包括銻(Sb)-硒(Se)硫族化物SbxSe,oo.x相變材料 層，該SbxSe,.x相變材料層接觸通過該孔露出的該部分的熱發生電極層並填 充該孔。該Sb^e,。(^相變材料層中銻(Sb)的含量"x"在40至70的範圍內。該SbxSe10—x相變材料層的熔點在540至57(TC的範圍內。該Sb、Se10-x相變材料層的熔點比Ge2Sb2Tes相變材料層的熔點低50至80°C。該SbxSemQ.x相變材料層的結晶所需的時間隨銻含量(x)的增大而減小。該SbxSe,o.x相變材料層的結晶溫度至少高於122°C。根據本發明另一方面，提供了一種製作相變存儲裝置的方法，該方法包括提供基板。隨後，熱發生電極層形成於該基板上。其中具有孔的第一絕緣層形成為部分覆蓋該熱發生電極層並露出部分的熱發生電極層。銻(Sb)-竭(Se)硫族化物SbxSe自.x相變材料層形成為接觸通過該孔露出的部分的熱發生電極層並填充該孔。該SbxSe,oo.x相變材料層中銻(Sb)的含量"x，，在40至70的範圍內。 該SbxSe,o^相變材料層可通過幹法蝕刻形成，從而僅保留在該孔周圍的相變部分內。用於蝕刻該SbxSe,o^相變材料層的腔體的壓力在3至5mTorr的範圍內。用於蝕刻該SbxSeK)o.x相變材料層的蝕刻氣體可以為氬氣(Ar)和氯 氣(Cb)的混合物。該方法進一步包括在形成該SbxSeKK).x相變材料層之後，形成覆蓋該相變 材料層的第二絕緣層。該第二絕緣層是使用電子迴旋共振(ECR)等離子體化 學氣相沉積來形成。該第二絕緣層可以在室溫形成。本發明提供了一種相變存儲裝置的製作方法，該相變存儲裝置使用了具 有低熔點和高結晶速度的相變材料，使該相變存儲裝置具有高速度和低功 耗。本發明提供了一種使用銻和礎的金屬合金作為相變材料的相變存儲裝置 的製作方法。由該金屬合金組成的該相變材料保證該相變存儲裝置比傳統 GST材料更可靠地工作。


通過結合附圖對本發明的示例性實施例進行詳細描述，本發明的上述和 其它特徵及優點將顯而易見，附圖中圖1為說明根據本發明實施例的相變存儲裝置的結構的剖面圖；圖2為說明根據本發明實施例的SbxSe,o.x存儲裝置的製作方法的流程圖；圖3為根據本發明實施例的SbxSe,,x (x = 65)存儲裝置的電流-電壓 特性的曲線圖；圖4A為當電壓施加到根據本發明實施例的SbxSe1.x (x = 65)存儲裝 置時SET和RESET操作特性的曲線圖；圖4B為當電壓施加到GST存儲裝置時SET和RESET操作特性的曲線 圖，該GST存儲裝置製作用於與根據本發明的存儲裝置比較；圖5A為當電流施加到根據本發明實施例的SbxSe1(W.x (x = 65)存儲裝 置時SET編程操作特性的曲線圖；圖5B為當電流施加到GST存儲裝置時SET編程操作特性的曲線圖， 該GST存儲裝置製作用於與根據本發明的存儲裝置比較；圖6A為當電流施加到根據本發明實施例的SbxSel(M).x (x = 65)存儲裝 置時RESET編程操作特性的曲線圖；以及圖6B為當電流施加到GST存儲裝置時RESET編程操作特性的曲線圖， 該GST存儲裝置製作用於與根據本發明的存儲裝置比較。
具體實施方式
現在參考附圖更全面地描述本發明，本發明的優選實施例示於附圖。然 而，本發明可以實施成許多不同形式，且不應理解為限制於此處所列實施例。 相反，這些實施例被提供以使本公開更徹底和完整，且全面地向本領域技術 人員傳達本發明的範圍。在圖中，層和區域的厚度為了清楚而被誇大。此外， 當描述一個層置於另一層或基板上時，該層可以直接形成於該另一層或基板 上，或者可能存在另外未指明的中間層。說明書中相同的參考數字表示相同 元件。圖1為說明根據本發明實施例的相變存儲裝置的結構的剖面圖。參考圖l，基板IO採用例如矽基板或通過熱氧化矽表面來製備的氧化矽 層。同時，根據本發明實施例的使用S、Se,o^相變材料的相變半導體存儲裝 置可以構造成陣列。當SbxSe，,存儲裝置與諸如用於驅動存儲器陣列的XY 解碼器、讀出放大器等的電路模塊整合形成時，該存儲裝置可以形成於具有 CMOS電晶體的基板上以形成排列在其上的這些電路。相變存儲裝置的疊層30位於基板10上。存儲裝置的疊層30具有這樣的結構，其中下電極層14、熱發生電極層 16、諸如氧化矽層的第一絕緣層18、相變材料層22、第二絕緣層24、以及 上電極層28順序堆疊。同時，根據本發明實施例的SbxSe,。^存儲裝置的疊 層30不一定形成於基板10上，該基板10是由矽基板或者氧化矽層組成。 例如，Sb^e,o^存儲裝置的疊層30可以形成於預定基板上，其中該預定基 板內形成有將連接到SbxSe1(K).x存儲裝置陣列的電晶體。下電極層14作為相變存儲裝置的下端子，且由低電阻金屬電極形成。 該金屬電極可以利用典型的金屬電極形成方法，由例如鉑(PO、鵠(W)或 者鈦鵠合金(TiW)形成。熱發生電極層16產生足夠的熱來改變接觸相變材料層22的區域內相變 材料的晶體結構。由於通過下電極層14被供應的電流而產生熱，且熱發生 電極層16的電阻高於下電極層14的電阻。熱發生電極層16的材料是確定 該相變存儲裝置的操作特性的重要因素。此外，用於熱發生電極層16的材 料的形成方法確定該材料的特性，且必需仔細地確定。熱發生電極層6可 以由選自例如氮化鈦(TiN)、氮氧化鈦(TiON)、氮化鈦鋁(TiAlN)、氮化鉭鋁(TaAlN)、以及氮化鉭矽(TaSiN)的至少一種材料組成。第一絕緣層18將在上的相變材料層22以及在下的熱發生電極層16及 下電極層14與另一疊層電絕緣。第二絕緣層24將相變材料層22和上電極 層28與另一疊層電絕緣。同時，第一絕緣層18通過允許僅一部分相變材料 層22和一部分熱發生電極層16相互接觸，由此熱隔離相變材料層22和熱 發生電極層16。第一絕緣層18可在低溫形成。這是因為，通常形成的熱發 生電極層16在形成第一絕緣層18的工藝中必須不被氧化。第二絕緣層24 可以在低溫形成。這是為了防止相變材料層22的氧化以及相變材料層22的 晶體結構的改變。此外，由於第一絕緣層18和第二絕緣層24的熱傳遞特性 顯著影響該相變存儲裝置的工作，因此需要仔細地選擇第一和第二絕緣層 18、 14的材料。第一絕緣層18和第二絕緣層24可以由選自可以在低溫形成 的氧化矽層、氮化矽層(SiN)、矽族絕緣層以及有機絕緣層的至少一種組成。 相變材料層22是用於形成相變存儲裝置的最基本材料，且通常是由硫 族化物金屬合金組成。相變材料層22根據該金屬合金的元素類型和組分可 以具有各種相變特性。構成用於相變存儲裝置的相變材料的硫族化物金屬元 素的示例包括例如Ge、 Se、 Sb、 Te、 Sn、 As等，這些示例可以恰當地組合 使用。此外，除了使用硫族化物金屬元素的組合之外，通過使用諸如Ag、 In、 Bi、 Pb等的元素的混合物，相變材料的特性可以改善。Ge2Sb2丁e5可以 用於相變存儲裝置，其中該Ge2Sb2Tes是Ge、 Sb和Te按2:2:5的比例的組 合且最廣泛地用於光學存儲裝置。相變材料層22可以通過濺鍍、電子束沉 積等形成。上電極層28用作相變存儲裝置的上端子，且由低電阻金屬電極 形成，類似下電極層14。在根據本發明實施例的SbxSe川^存儲裝置中，SbxSe咖-x用作相變材料 層22的材料。本發明不限於包括使用由SbxSe咖-x形成的相變材料層22的相 變存儲器。根據本發明實施例的SbxSe^x存儲裝置中使用的SbxSe1.x已經被用作 光學存儲裝置的相變材料(見R. Barton et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 48, pp. 1255-1257， 1986; V丄Milka et al" Mat. Sci. Eng. B， Vol. 48, pp. 74-78, 2001 )。 具體而言，SbxSeI(K)-x已知具有較低熔點和低熱導率，且因此對於要求這些特 性的產品是非常有用的。然而，由於SbxSe腦.x在750nm至S30nm的波長範 圍內具有低吸收係數，因此存在的問題為，當在光碟上執行重複的編程操作時，噪聲會顯著增大。因此，SbxSe咖-x很少用作光學存儲裝置的相變材料。然而，考慮SKSe,oo.x的相平衡圖，SbxSeKx^在40SxS70的組分內具有 54(TC至570。C的熔點，比傳統相變存儲裝置中使用的GST的熔點低5(TC至 80°C。然而，由於在相變存儲裝置中不要求光學信號的吸收係數特性，低功 耗相變存儲裝置可以容易地實現，即使使用具有如此低熔點的材料。根據本發明實施例的SbxSe1(X).x的組分在相變存儲裝置製作中是非常重 要的。SbxSe跳x相變材料的基本特性已知(見M丄Kang et al.， J. Appl. Phys. Vol. 98, pp. 014904, 2005 )。這篇文獻4皮露了組分為60<x<70的SbxSe1<X)-x的特 性。在這篇文獻中確認，當銻(Sb)的含量(x)從60。/。增加到70。/。時，SbxSe,oo-x 的結晶溫度從161。C降低到122°C。此外還確認，當銻(Sb)的含量(x)增 大時，結晶所需的最少時間減小。Sb7oSe3o (x = 70)的結晶溫度為122°C,該結晶溫度太低而不適用於根 據本發明實施例的相變存儲裝置。這是因為當數據連續地存儲於相變存儲裝 置內時，所存儲的數據不應由於存儲器操作期間產生的熱而改變。利用相變 材料的非晶結構的編程數據由於在操作過程中相變材料的不期望重結晶而 可能變得無法讀取。此外，存儲於存儲器單元內的數據在相鄰存儲器單元操 作過程中不應改變。然而，122。C的結晶溫度太低而無法滿足這些要求。因 此，在製作根據本發明實施例的相變存儲裝置中，SbxSe1(X)-x的含量"x，，必 須設置為70以下。此外，該相變材料需要具有高的結晶速度，從而獲得高速相變存儲裝置。 根據上述文獻，結晶速度隨SbxSe,-x的含量"x"增大而增大。當含量"x" 在不降低結晶溫度太多的範圍內增大時，相變存儲裝置的工作速度可以提 高。例如，當SbxSe離x的含量"x"為65時，Sb65Se35材料的結晶溫度為152 °C 。該結晶溫度足夠高而不導致在存儲裝置工作過程中相變材料的重結晶。 此夕卜，根據該文獻，Sb6sSe35的結晶速度比通常用於傳統相變存儲裝置的GST 高得多。此外，考慮SbxSe跳x的相平衡圖，確認SbxSe跡x的最穩定的含量 "x"為40,即，Sb2Se3。當含量"x"為40以下時,SbxSe100.x的材料特性 變得非常不穩定，且視含量"x"會大幅變化。因此，當使用SbxSe,o^的含量"x"在40至70的範圍內的材料來製作 相變存儲裝置時，該相變存儲裝置可具有比傳統GST存儲裝置高的速度和 低的功耗。已經報導了依據S、SeK)o-x的含量"x"的電導率變化和電學切換現象(見 H. A. Zayed et al.， J. Phys. D， Vol. 28， pp. 770-773， 1995; V. I. Mikla et al" J. Mat. Sci. Vol. 35, pp. 4卯7-4912, 2000; E. H. AIy at al" J. Phys. D， Vol. 33， pp. 2549-2522， 2000)，但是還未製作出使用SbxSe100-x的相變存儲裝置。因此，根據本發明實施例，使用813^61,製作高速、低功耗的相變存儲裝置。此外，與使用相同方法製作的傳統GST存儲裝置相比，該相變存儲裝置可以工作 於更高速度且具有更低功耗。圖2為說明根據本發明實施例的SbxSe,oo.x存儲裝置的製作方法的流程 圖。圖2所示的相變存儲裝置製作方法集中於形成相變存儲裝置的疊層30 的工藝。此外，圖2所示的相變存儲裝置製作方法僅僅出於說明目的，可以按各 種方式調整而不背離本發明的範圍。根據該方法製作的相變存儲裝置將結合 圖1予以描述。參考圖2，下電極層14形成於基板10上。下電極層14用作SbxSel00_\ 存儲裝置的下端子，並在根據本發明實施例的方法中由低電阻金屬形成。下 電極層14可以利用例如濺鍍、電子束金屬沉積等通常方法，由例如柏(Pt)、 鴒(W)、鈦鴒合金(TiW)等形成。隨後，熱發生電極層16形成於下電極 層14上。熱發生電極層16產生足夠的熱來改變與相變材料層22接觸的部 分內相變材料的晶體結構。熱發生電極層16的電阻可以高於下電極層14的 電阻。熱發生電極層14可以由例如氮化鈦(TiN)、氮氧化鈦(TiON)、氮 化鈦鋁(TiAlN)、氮化鉭鋁(TaAlN)、氮化鉭矽(TaSiN)等材料組成。在本發明實施例中，下電極層14通過濺鍍方法由鈦鎢(TiW)形成，具 有約500A的厚度。此外，熱發生電極層16通過濺鍍方法由氮化鈦(TiN) 組成，具有約500A的厚度(操作100)。隨後，使用典型方法形成第一絕緣層18。第一絕緣層18將相變存儲裝 置陣列結構中的各個存儲裝置電學絕緣或隔熱。第一絕緣層18可由氧化矽 層或氮化矽層形成，但是不限於此，且可以由具有類似特性的其它絕緣材料 層形成。例如，當第一絕緣層18由氧化矽層形成時，該氧化矽可以通過化 學氣相沉積在低溫形成。這是為了防止在形成第一絕緣層18工藝期間熱發 生電極層16的氧化。此外，通過形成第一絕緣層18,可以獲得恰當的裝置 隔離。也就是說，當第一絕緣層18由氧化矽層形成時，將成為相變存儲裝置區域的分離部分通過幹法或溼法蝕刻工藝來定義。在本發明的實施例中，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)形成 厚度約2000A的氧化矽(Si02 )層作為第一絕緣層。該氧化矽層在約400°C 的溫度形成(操作102)。隨後，第一絕緣層18被蝕刻以形成細洞(finehole),相變材料層22和 熱發生電極層16通過該細洞接觸。該細洞為相變存儲裝置實際操作的部分， 且形成為洞或孔。下文中，該孔部稱為有源孔20。有源孔20的尺寸直接影 響相變存儲裝置的操作特性，且孔尺寸的減小可以降低操作所需的電流。同 時，有源孔20的尺寸可以根據所使用的光刻工藝以及蝕刻工藝條件而改變。在本發明實施例中，有源孔20使用i線光刻設備形成，有源孔20的尺 寸約為500nm。有源孔20通過幹法蝕刻氧化矽層來形成。有源孔20的尺寸約為500nm,該尺寸足夠大以滿足可購得的相變存儲 裝置的操作所要求的條件。如上所述根據本發明的SbxSei。。—x存儲裝置製作方 法提供了用於製作相變存儲裝置的示例性工藝條件，該相變存儲裝置具有比 傳統裝置高的速度和低的功耗。因此，當實際製作根據本發明的SbxSe1.x 存儲裝置時，有源孔20可以形成為小於如上所述。這種情況下，使用KrF、 ArF、電子束光刻等的圖案化設備可被採用，這些圖案化裝備具有比i線光 刻圖案化設備高的圖案化解析度(操作104)。接著，相變材料層22形成於有源孔20內。相變材料層22根據金屬合 金的成份和組分而具有各種相變特性，且在相變存儲裝置的操作中是非常重 要的。傳統上，Ge2Sb2Te5已經廣泛使用，其是由Ge、 Sb和Te按2:2:5的比 例組成。除了 GST材料之外，As-Sb-Te石克族化物合金材料(見K. Nakayama et al.， Jpn， J. Appl. Phys.， Vol. 39， pp.6157-6161， 2000)或者Se-Sb-Te硫族化物合 金材料(見K. Nakayama et al., Jpn, J. Appl. Phys,， Vol. 32， pp.404-408， 2003)已 經在實驗上被合成。該相變材料層可以使用濺鍍、電子束沉積等形成。靶源 材料可以製備成多種成份材料或者單 一成份材料。相變材料層22使用蝕刻工藝被圖案化，使得相變材料層22僅保留在預 定區域，其中相變存儲裝置將被製作在該預定區域。硫族化物相變材料主要 用作光學數據存儲盤的記錄介質的材料。然而，硫族化物材料的半導體工藝特性例如蝕刻特性大部分未知，因此需要設置有效的蝕刻條件，利用具有預 定元素組分的相變材料來製作相變存儲裝置。使用等離子體的幹法蝕刻設備可以在該蝕刻工藝中使用。這種情況下，需要^f吏用恰當的蝕刻氣體。為了製作根據本發明實施例的SbxSe藩x存儲裝置，使用超高真空、多種 成份沉積方法來製備SbxSe咖.x。此時，努森池(Knudsen Cell， K-Cell)設備 用於沉積源材料，且沉積過程中的真空度約為5xl(T8mbar。然而，可以使 用普通多種成份或單一成份濺鍍，替代使用K-Cell的超高真空多種成份沉積 方法，來沉積SbxSe跳x。此外，為了製作根據本發明實施例的SbxSe1(K)-x存儲裝置，利用了 SbxSe,o^的幹法蝕刻特性。在本實施例中，使用螺旋波等離子體的高密度螺 旋波等離子體設備用作幹法蝕刻設備，且氬氣(Ar)和氯氣(CI2)的混合 物用作蝕刻氣體。在蝕刻工藝中，約600W的RF源功率^f皮應用，且約150W 的RF偏置功率被應用以改善等離子體的各向異性性能。同時，在蝕刻工藝 中維持3至5mTorr的腔體壓力。該蝕刻工藝中^(吏用的Ar/Cl2的組分約為 90/10,且SbxSe,。(^的蝕刻速率約為200nm/min。為了防止第一絕緣層18在蝕刻工藝中過蝕刻，第一絕緣層18應具有相 對於SbxSe,o"的足夠的蝕刻選擇性。氧化矽第一絕緣層18的蝕刻速率約為 40nm/min，且蝕刻選擇性約為5。由於蝕刻選擇性足夠高，SbxSeu)o-x利用上 述蝕刻設備和蝕刻條件來圖案化。在該實施例中，使用銻的含量"x"為65 的Sb65Se35來製作優化的相變存儲裝置(操作106)。然而，根據本發明， Sb、Se跳x中銻的含量"x"可以在40至70的範圍內。銻的含量"x，，為65 的Sb6sSe35的組分是示例性組分，因此本發明不限於此。隨後，第二絕緣層24形成於相變材料層22上。第二絕緣層24將相變 材料層22及將形成於相變材料層22上的上電極層28與另一疊層電絕緣。 第二絕緣層24可以在低溫形成，從而防止相變材料層22的氧化以及相變材 料層22的成份元素的擴散。此外，相變材料層22的晶體結構在形成第二絕 緣層24的工藝中不應改變。在本發明實施例中，使用ECR等離子體化學氣相沉積(ECRCVD)形 成厚度約2000A的氧化矽層作為第二絕緣層24。此時，氧化矽層在室溫形 成。也就是說，氧化矽層可以使用ECRCVD在室溫形成。在室溫形成氧化 矽層的工藝是根據本發明的相變存儲裝置製作方法的特徵(搡作108)。隨後，用於形成上電極層28的通孔26形成於第二絕緣層24內。第二 絕緣層24可以利用溼法或幹法工藝除去，從而形成通孔26。上電極層28形成於形成有通孔26的第二絕緣層24上。上電極層28作為相變存儲裝置 的上端子，且由低電阻金屬電極形成，類似於下電極層14。附加金屬層(未 示出)可進一步被設置，從而改善上電極層28和相變材料層22之間的接觸， 並防止元素在該界面的不需要的反應或運動。在本發明實施例中，上電極層 28是通過濺鍍由鵠(W)形成為約1000A厚(操作110)。根據本發明的SbxSe,。^存儲裝置具有高速度和低功耗。為了證明這一 點，使用與圖2所示相同的方法製作傳統GST存儲裝置作為比較例。在本 實施例中，使用單一成份靶的RF濺鍍被用於形成GST相變材料層。如上所述的根據本發明的SbxSe,。^存儲裝置的結構、成份材料的組分、 以及該裝置的製作方法可以部分調整，從而改善該相變存儲裝置的特性。根據本發明的813^61,存儲裝置的結構不限於圖1所示的結構，且可以製作成各種形式。也就是說，如上所述的相變存儲裝置的結構及其製作方法應理解 為一典型結構和製作方法，其被提供用於有效地描述根據本發明的SbxSe100-、 存儲裝置。因此，本發明不限於上述實施例，且本領域技術人員顯見，在此 可以進行形式和細節上的各種改變而不背離本發明的精神和範圍。圖3為根據本發明實施例的SbxSe1_x (x = 65)存儲裝置的電流-電壓 特性的曲線圖。電流從0mA改變到lmA,且存儲裝置的電壓被連續地測量。 根據本發明的SbxSe,(K)—x存儲裝置中銻的含量"x，，可以為40至70。此處披 露的Sl^Se,。^存儲裝置的成份x = 65應理解為本發明的示例。參考圖3，在根據本發明的SbxSe腦-x存儲裝置中，在由具有高電阻的非 晶結構改變到具有低電阻的晶體結構的SET操作中，呈現負電阻特性。負電 阻特性表明在根據本發明的相變存儲裝置中，可以通過相變現象進行非易失 性搡作。這是因為晶體結構由於當電壓超過閾值電壓時產生的焦耳熱而改 變，使得相變材料經歷電阻的迅速變化。負電阻特性和閾值電壓對於確定根 據相變材料相變的相變存儲裝置的操作特性而言是重要的。根據本發明實施例的SbxSe1.x ( x = 65 )存儲裝置在SET操作中表現明 顯的負電阻特性，且具有約1.65V的閾值電壓。因此，由於根據本發明實施 例的SbxSel(K).x (x-65)存儲裝置的相變，可以進行非易失性存儲器編程操 作。圖4A為當電壓施加到根據本發明實施例的SbxSe1(K)-x (x = 65)存儲裝 置時SET和RESET操作特性的曲線圖。圖4B為當電壓施加到GST存儲裝置時SET和RESET操作特性的曲線圖，該GST存儲裝置被製作供比較。被 施加用於SET和RESET #:作的電壓為5V,而且在改變電壓的脈沖寬度的 同時，SET和RESET操作所需的搡作時間被測量。在IV測量該相變存儲 裝置的電阻。根據本發明的SbxSe，oo.x存儲裝置和GST存儲裝置使用相同方法同時制 作以具有相同裝置結構。這兩種存儲裝置在被施加電壓時的SET和RESET 操作被比較，從而檢查這兩種裝置的操作速度和低功耗特性。在本實施例中， 將S、Se,oo.x存儲裝置與傳統GST存儲裝置進行比較是出於下述原因。當本 發明的SbxSe1G。-x ( x = 65 )存儲裝置的有源孔20的尺寸如在本實施例中約為 500nm時，難以滿足可購得的相變存儲裝置的操作條件。因此，將SbxSe100—x (x = 65 )存儲裝置的操作特性與傳統GST存儲裝置的操作特性比較，從而 演示SbxSe,oo-x (x = 65)存儲裝置的高速和低功耗特性。參考圖4A和4B,傳統GST存儲裝置內SET和RESET操作所需的信 號的脈衝寬度分別為lps和50ns。根據本發明的SbxSe1-x ( x = 65 )存儲裝 置內SET和RESET操作所需的信號的脈衝寬度分別為250ns和35ns。在根 據本發明的SbxSe1.x (x = 65)存儲裝置中，SET操作所需的時間短得多。 這意味著根據本發明的SbxSe1(X)-x (x = 65)存儲裝置具有高於傳統GST存儲 裝置的結晶速度。相變存儲裝置的操作速度完全取決於將高電阻非晶結構改 變到低電阻晶體結構的SET編程的速度。這是因為在RESET操作中從低電 阻晶體結構改變到高電阻非晶結構相對非常快。因此，需要提高SET操作速 度以實現相變存儲裝置的高速操作，且為此目的，具有高結晶速度的相變材 料被優選地採用。因此，根據本發明的SbxSe1(K).x (x = 65)存儲裝置可以比 傳統GST存儲裝置快地操作。圖5A為當電流施加到根據本發明實施例的SbxSe1o_x ( x = 65 )存儲裝 置時SET編程操作特性的曲線圖。圖5B為當電流施加到GST存儲裝置時 SET編程操作特性的曲線圖，該GST存儲裝置被製作供比較。在改變所施 加的電流以記錄數據的同時，測量每種裝置的電阻。所施加的電流的脈沖寬 度為lps。參考圖5A和5B，傳統GST存儲裝置內SET操作所需的電流約為50pA。 根據本發明實施例的SbxSe1(K)-x (x = 65)存儲裝置內SET操作所需的電流為 30[iA。也就是說，通過採用根據本發明實施例的SbxSe腦-x (x = 65)存儲裝置，SET操作所需的編程電流減小。該電流減小是因為，根據本發明實施例 的SbxSe1.x (x = 65)存儲裝置具有比傳統GST存儲裝置低的熔點。如果材料的熔點降低，其結晶溫度也降低，且SET操作所需的編程電流 減小。與在SET操作中相比，通過降低相變材料的熔點來減小編程電流的效 果在RESET操作中更為顯著。相變材料熔化後，必須被淬火以從低電阻結 晶結構改變為高電阻非晶結構。圖6A為當電流施加到才艮據本發明實施例的SbxSe1_x (x = 65)存儲裝 置時RESET編程操作特性的曲線圖。圖6B為當電流施加到GST存儲裝置 時RESET編程操作特性的曲線圖，該GST存儲裝置被製作供比較。在改變 所施加的電流以記錄數據的同時，測量每種材料的電阻，由此檢查操作特性。 所施加的電流的脈沖寬度為lOOns。參考圖6A和6B，傳統GST存儲裝置內RESET操作所需的電流約為 15mA。根據本發明實施例的SbxSe1。.x ( x = 65 )存儲裝置內RESET操作所 需的電流約為1.6mA。通過採用根據本發明實施例的SbxSe1(X)-x ( x = 65 )存 儲裝置，RESET操作所需的編程電流減小至約1/10。該電流減小是因為， 根據本發明實施例的SbxSe1Q.x ( x = 65 )具有比傳統GST材料低的熔點。相構改變到高電阻非晶結構的RESET操作的電流。因此，RESET操作的編程 電流必須減小，以實現低功耗的相變存儲裝置。顯然，優選使用具有低熔點 的相變材料。根據如上所述的本發明的SbxSe,o"存儲裝置的結構及其製作方法，通過 採用SbxSe固.x相變材料層來製作高速且低功耗的存儲裝置，替代傳統GST 存儲裝置。通過控制SbxSe,-x內銻的含量"x"，可以改善速度和功耗，以提供高結 晶速度和低熔點。根據本發明實施例的SbxSelo.x ( x = 65 )存儲裝置具有比傳統GST存儲 裝置低的功耗。此外，通過改變相變材料同時保持與本發明相同的裝置結構 和製作方法，RESET操作所需的編程電流可以減小至其原始值的1/10。儘管已經結合本發明的示例性實施例具體示出和描述了本發明，但是本 領域普通技術人員應理解，在不背離由權利要求界定的本發明的精神和範圍 的情況下，可以進行形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種相變存儲裝置，包括熱發生電極層；第一絕緣層，部分覆蓋所述熱發生電極層，露出部分的熱發生電極層，且其中具有孔；以及銻(Sb)-硒(Se)硫族化物SbxSe100-x相變材料層，接觸通過所述孔露出的所述部分的熱發生電極層，並填充所述孔。
2. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述孔的寬度小於500nm。
3. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述SbxSe,o-x相變材料層 中銻(Sb)的含量(x)在40至70的範圍內。
4. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述SbxSeK)o-x相變材料層 的熔點在540。C至57(TC的範圍內。
5. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述SbxSe^相變材料層 的熔點比Ge2Sb2丁e5相變材料層的熔點低50至80°C。
6. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述SbxSe,o^相變材料層 的結晶所需的時間隨銻含量(x)的增大而減小。
7. 如權利要求1所述的相變存儲裝置，其中所述513^61,相變材料層的結晶溫度至少高於122°C。
8. —種製作相變存儲裝置的方法，所述方法包括 提供基板；在所述基板上形成熱發生電極層；形成第一絕緣層，所述第一絕緣層部分覆蓋所述熱發生電極層，露出部 分的熱發生電極層的一側，且其中具有孔；以及形成銻(Sb)-硒(Se)硫族化物SbxSe咖.x相變材料層，所述SbxSe腦-x相變材 料層接觸通過所述孔露出的所述部分的熱發生電極層並填充所述孔。
9. 如權利要求8所述的方法，其中所述SbxSe,oo-x相變材料層中銻(Sb) 的含量(x)在40至70的範圍內。
10. 如權利要求8所述的方法，其中所述SbxSe,。o-x相變材料層是通過千 法蝕刻形成，從而僅保留在所述孔周圍的相變部分內。
11. 如權利要求10所述的方法，其中用於蝕刻所述SbxSe,(x).x相變材料層的腔體的壓力在3至5mTorr的範圍內。
12.如權利要求IO所述的方法，其中用於蝕刻所述SbxSe,(X)-x相變材料 層的蝕刻氣體為氬氣(Ar)和氯氣(Cl2)的混合物。
13. 如權利要求8所述的方法，還包括在形成所述SbxSe，oo.x相變材料層 之後，形成覆蓋所述相變材料層的第二絕緣層。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述第二絕緣層是使用電子迴旋 共振(ECR)等離子體化學氣相沉積來形成。
15. 如權利要求13所述的方法，其中所述第二絕緣層在室溫形成。
全文摘要
提供了一種使用具有低熔點和高結晶速度的相變材料的相變存儲裝置及其製作方法。該相變存儲裝置包括銻(Sb)-硒(Se)硫族化物SbxSe100-x相變材料層，該SbxSe100-x相變材料層接觸通過孔露出的熱發生電極層並填充孔。由於在相變材料層內使用SbxSe100-x，可以製造與GST存儲裝置相比速度更快，功耗更低的相變存儲裝置。
文檔編號H01L27/115GK101258598SQ200680032890
公開日2008年9月3日 申請日期2006年8月30日 優先權日2005年9月7日
發明者俞炳坤, 尹聖民, 崔圭政, 樸永森, 李南烈, 李承胤, 柳相旭 申請人:韓國電子通信研究院