專利名稱：相變存儲(chǔ)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件及其制造方法，更具體地涉及相變存儲(chǔ) 器件及其制造方法，該相變存儲(chǔ)器件包括由相變材料制成的底部電極接觸(BEC )層以防止在其編程區(qū)域(programming area )中的惡化及熱損一毛。
技術(shù)背景隨著信息基產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，處理大量信息的需求增長(zhǎng)。因此，對(duì)能夠存儲(chǔ) 大量信息的信息存儲(chǔ)媒體的需求也隨之增長(zhǎng)。響應(yīng)于對(duì)這種信息存儲(chǔ)媒體的 增長(zhǎng)的需求，致力于可快速存儲(chǔ)信息的小尺寸信息存儲(chǔ)媒體的研究正在展 開，并由此現(xiàn)已開發(fā)了各種類型的信息存儲(chǔ)器件。例如，作為下一代存儲(chǔ)器件進(jìn)行研究的相變存儲(chǔ)器件(PRAM)。通常， 相變存儲(chǔ)器件包括由相變材料例如硫族化物材料制成的相變層。相變材料在 其處于結(jié)晶相與非結(jié)晶相時(shí)的電阻有很大不同。即相變材料可具有兩相，其 可根據(jù)它們的電阻值區(qū)分所述兩相。隨溫度的變化相變材料發(fā)生可逆變化。 目前已經(jīng)開發(fā)了很多相變材料。例如，GST ( Ge2Sb2Te5)是一種傳統(tǒng)采用的 相變材料。圖1A和1B是傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器件的截面圖。具體地，圖1A是T型相變 存儲(chǔ)器件的剖面圖，和圖1B是限制結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器件的剖面圖。參見圖1A,底部電極接觸(BEC)層13形成于底部電極12上。第一 絕緣層lla形成于底部電極12的側(cè)表面上，和第二絕緣層llb形成于BEC 層13的側(cè)表面上。相變層14形成于BEC層13和第二絕緣層llb上，以及 接觸層15和上部電極16依次形成在相變層14上。參見圖1B, BEC層103形成于底部電極102上。BEC層103寬度可小 于底部電極102。第一絕緣層101a形成于底部電極102的側(cè)表面上，和第二 絕緣層101b形成于BEC層103的側(cè)表面上。相變層104形成于BEC層103 和第二絕緣層101b上。接觸層105和上部電極106依次形成在相變層104 上。圖1B所示相變存儲(chǔ)器件與圖1A示出的相變存儲(chǔ)器件不同之處在于BEC層103形成為第二絕緣層101b厚度的一半并且相變層104形成在第二 絕緣層101b內(nèi)。在相變存儲(chǔ)器中，當(dāng)電流通過下部和上部電極提供時(shí)在相變層和底部電 極之間的接觸區(qū)產(chǎn)生焦耳熱，從而導(dǎo)致在結(jié)晶相和非晶相之間可逆的相變發(fā) 生，以記錄信息。具體地，集中發(fā)生相變的區(qū)域叫做程序容積(program volume PV)區(qū)。圖1A的附圖標(biāo)記17及圖IB的107指示PV區(qū)。用于相變存儲(chǔ)器件中的相變層材料，例如GST,應(yīng)當(dāng)保持其特性以獲得如，當(dāng)相變重復(fù)發(fā)生時(shí)，在PV區(qū)和BEC層之間的界面處可發(fā)生粘合缺陷。 此外，當(dāng)相變發(fā)生時(shí)，在相變層和BEC層之間的界面處可產(chǎn)生特定電阻 (specific resistance),由此導(dǎo)致熱損庫毛及改變PV區(qū)。由于PV區(qū)形成于如 圖1A及圖1B所示的相變層和BEC層之間的界面處，因此這類問題無法得 到完全解決。目前正在開展很多致力于解決這類問題的研究，但仍然未獲得 其解決方案。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種相變存儲(chǔ)器件，當(dāng)相變重復(fù)發(fā)生時(shí)，通過防止在相變 層和底部電極接觸(BEC)層之間界面處相變存儲(chǔ)器件的惡化和熱損耗，使 得該相變存儲(chǔ)器件僅需要施加小量的電流。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中包含相變層的相變存儲(chǔ) 器件，包括底部電極；安置在底部電極上由相變材料制成的底部電極接觸 層；安置在底部電極接觸層上、寬度小于底部電極接觸層的第一相變層；安 置在第一相變層上、寬度大于第一相變層的第二相變層；以及安置在第二相 變層上的上部電極。所述相變存儲(chǔ)器件還可以包括形成于底部電極和底部電極接觸層的側(cè) 表面上的第一絕緣層；以及形成于第一相變層的側(cè)表面上的第二絕緣層。底部電極接觸層、第一相變層和第二相變層可使用同種相變材料制成。底部電極接觸層、第 一相變層和第二相變層可以使用相變材料Ge2Sb2Te5 (GST)制成。程序值(PV )區(qū)可以形成于底部電極接觸層和第 一相變層之間的界面處。 所述相變存儲(chǔ)器件還可以包括插置在底部電極和底部電極接觸層之間的Ti或TiN薄層。所述相變存儲(chǔ)器件還可以包括具有源極區(qū)和漏極區(qū)的半導(dǎo)體基板；安置 在半導(dǎo)體基板上、與所述源極區(qū)和漏極區(qū)之一接觸的柵絕緣層；安置在柵絕 緣層上的柵電極層；以及形成于漏極區(qū)和底部電極之間的接觸插塞。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中包含相變層的相變存 儲(chǔ)器件的制造方法，所述方法包括(a)打開第一絕緣層，和形成并平坦化 底部電極和底部電極接觸層；(b)在第一絕緣層和底部電極上形成第二絕緣 層，并形成寬度小于底部電極的孔洞以暴露底部電極；(c)在第二絕緣層上 并在孔洞中形成相變層；(d)在相變層上形成上部電極。步驟(a)包括形成第一絕緣層；打開第一絕緣層，和形成底部電極 并蝕刻掉所述底部電極的頂端部分；在底部電纟及上添加相變材料；以及對(duì)所 述相變材料進(jìn)行平坦化以形成底部電極接觸層。


通過參考附圖對(duì)其示范實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述及其他特性及 優(yōu)點(diǎn)將呈現(xiàn)得更為明顯，其中圖1A和1B是傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器件的截面圖；圖2是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的截面圖，圖示了存儲(chǔ)節(jié) 點(diǎn)區(qū)；圖3是圖2所示相變存儲(chǔ)器件連接到晶體管的截面圖； 面圖；以及圖5A和5B圖示出當(dāng)電流通過依照本發(fā)明實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的下 部及上部電極提供時(shí)各區(qū)域的溫度測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施方式
下面將參考示出了本發(fā)明示范實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明。為清楚起見，在附圖中，放大了層和區(qū)域的厚度。圖2的截面示了依照本發(fā)明實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)區(qū)。 參見圖2，底部電極接觸(BEC)層23形成于底部電極22上。BEC層23的寬度可以等于底部電極22或與之近似。第一絕緣層21a可以形成于底部電極22的側(cè)表面和BEC層23的側(cè)表面上。第一相變層24a和第二絕緣 層21b形成于BEC層23上。第一相變層24a的寬度可以相對(duì)小于BEC層 23的寬度。第二相變層24b形成于第一相變層24a和第二絕緣層21b上，以 及接觸層25和上部電極26依次形成于第二相變層24b上。如果需要，在底 部電極22和BEC層23之間可進(jìn)一步形成作為阻擋金屬(BM)層的Ti/TiN 薄層。在依照本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件中，BEC層23和第一相變層 24a可以采用相同類型的材料制成。例如，BEC層23、第一相變層24a和第 二相變層24b可由Ge2Sb2Te"GST)制成。底部電極22和上部電極26可采用 傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件中使用的任何導(dǎo)電材料制成。例如，底部電極22和上部電極 26可由貴金屬制成。接觸層25可由Ti材料制成。在相變存儲(chǔ)器件工作并且 電流通過底部電極22和上部電極26施加時(shí)，發(fā)生相變的PV區(qū)27形成于 BEC層23和第一相變層24a之間。由于PV區(qū)27形成于BEC層23和第一相變層24a的界面，而BEC層 23和第一相變層24a由同種材料制成，因此可避免在不同種材料的界面處產(chǎn) 生的界面惡化及熱損耗。由于BEC層23、第一相變層24a和第二相變層24b 由同 一種相變材料制成，依照當(dāng)前實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件可以是I形相變存 儲(chǔ)器件。圖3是根據(jù)本發(fā)明 一 個(gè)實(shí)施例所述的相變存儲(chǔ)器件電連接到作為開關(guān)器 件的晶體管的截面圖的。參見圖3，與源極32a和漏極32b接觸的柵絕緣層 33及柵電極層34形成于半導(dǎo)體基板31上，所述半導(dǎo)體基板31包含源極32a 和漏極32b。中間絕緣層35 (inter-insulating layer)形成于半導(dǎo)體基板31和 柵電極層34 (字線)上。漏極32b通過中間絕緣層35電連接到圖2所示的 相變存儲(chǔ)器件的底部電極22。下面參考圖4A至4G詳細(xì)說明按照本發(fā)明實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的制 造方法。通常，二極管或晶體管使用制造半導(dǎo)體器件的傳統(tǒng)方法來制造。這 里將詳細(xì)說明一種在晶體管結(jié)構(gòu)的接觸插塞(contact plug )上制造依照本發(fā) 明實(shí)施例所述的相變存儲(chǔ)器件的方法。參見圖4A，第一絕緣層21a沉積于晶體管的接觸插塞36上，和在其中 將形成底部電極的第一絕緣層21a的一部分被移除以暴露接觸插塞36。之 后，導(dǎo)電材料沉積于接觸插塞36的暴露的表面上，以形成底部電極22。如果需要，接觸墊201可使用TiN制成而底部電極22可使用鎢(W)制成以 減小接觸電阻。之后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法將所得到的結(jié)構(gòu)平坦化。參見圖4B,對(duì)第 一絕緣層21 a中的底部電極22的頂端部分進(jìn)行干蝕刻。 例如，底部電極22使用W形成后再蝕刻至約1.5KA深。參見圖4C,使用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝或原子層沉 積(ALD)工藝將相變材料23a沉積于底部電極22上。如果需要，在沉積 相變材料23a之前，可沉積Ti/TiN薄層202作為阻擋金屬(BM)層。相變 材料23a可以是GST和用于GST的源材料氣體(source material gas )可包 括含有2價(jià)Ge的前驅(qū)體(第一前驅(qū)體)、含Sb的前驅(qū)體(第二前驅(qū)體)及 含Te的前驅(qū)體(第三前驅(qū)體)。.第一到第三前驅(qū)體是有機(jī)金屬化合物，和具 體地，第一前驅(qū)體可以是含2價(jià)Ge的有機(jī)金屬化合物?？梢酝瑫r(shí)提供第一 到第三前驅(qū)體(MOCVD )?？蛇x地，可以依次提供每個(gè)前驅(qū)體(循環(huán)-CVD ), 或者可同時(shí)提供兩個(gè)前驅(qū)體(ALD)。參見圖4D，在沉積相變材料23a之后，使用CMP工藝使相變存儲(chǔ)材料 23a的表面平坦化以形成BEC層23。參見圖4E，由沉積如Si02、 SiON或Si3N4的絕緣材料形成第二絕緣層 21b,之后對(duì)其蝕刻以在其中形成孔洞，以露出BEC層23。參見圖4F,通過將相變材料如GST沉積在第二絕緣層21b上并用相變 材料填充第二絕緣層21b的孔洞而形成相變層24。雖然如圖4E中所示可以 對(duì)形成的第二絕緣層21b進(jìn)行蝕刻直到暴露出BEC層23,但在形成相變層 的同時(shí)能夠用相變材料填充BEC層23。與形成BEC層23的工藝一樣，相 變層24可使用MOCVD工藝或ALD工藝形成。參見圖4G,使用CMP工藝對(duì)相變層24的頂端部分進(jìn)行平坦化，和此 后，導(dǎo)電材料沉積于其上以形成上部電極25。圖5A和5B圖示了電流通過按照本發(fā)明實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的下部 和上部電極提供時(shí)各區(qū)域的溫度測(cè)量結(jié)果。具體地，圖5A是圖2所示相變 存儲(chǔ)器件的虛線區(qū)域的放大圖，描述了BEC層23、第二絕緣層21b和相變 層24。圖5B圖示了電流通過圖5A的相變存儲(chǔ)器件的下部和上部電極施加 時(shí)相變存儲(chǔ)器件的溫度。參見圖5B,可以看出由GST制成的BEC層23和相變層24之間界面處 的溫度最高，也就是說，PV區(qū)域形成于BEC層23和相變層24之間的界面處。在圖1A所示的傳統(tǒng)T形相變存儲(chǔ)器件的情況中，BEC層D通常由TiN 或TiAlN制成，這種電極材料具有高的導(dǎo)熱性導(dǎo)致在BEC層13的向下方向 上會(huì)產(chǎn)生熱損耗，并且因此需要高重置電流來使所述相變存儲(chǔ)器件運(yùn)行。但 是在按照本發(fā)明實(shí)施例的相變存儲(chǔ)器件的情況中，BEC層23和相變層24 是由同種相變材料制成的因此導(dǎo)熱性較低。因此，熱損耗也較低并且所需的 重置電流可減小。BEC層由TiN制成的傳統(tǒng)形式的相變存儲(chǔ)器件的重置電流 是2.04mA，另一方面，按照本發(fā)明實(shí)施例所述的相變存儲(chǔ)器件的重置電流 是1.03mA。下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的有益效果。首先，通過使用同一種材料制造BEC層和相變層可防止在BEC層和相 變層之間的界面處的惡化。其次，與使用傳統(tǒng)電極材料的相變存儲(chǔ)器件相比，使用相變材料制造 BEC能夠更有效地防止熱損耗。因此，重置電流可降低。第三，通過防止惡化能夠穩(wěn)定地形成PV區(qū)，因此相變存儲(chǔ)器件能夠具 有高可靠性。雖然參考其示范性實(shí)施例具體顯示和說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的一般技 術(shù)人員可以理解，在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況 下，可在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)其進(jìn)行各種的改變。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲(chǔ)器件，包括在其存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的相變層，所述相變存儲(chǔ)器件包括底部電極；底部電極接觸層，由相變材料制成且安置在所述底部電極上；第一相變層，寬度小于所述底部電極接觸層且安置在所述底部電極接觸層上；第二相變層，寬度大于所述第一相變層且安置在所述第一相變層上；以及上部電極，安置在所述第二相變層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器件，還包括第一絕緣層，形成于所述底部電極和所述底部電極接觸層的側(cè)表面上；以及形成于所述第一相變層的側(cè)表面上的第二絕緣層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器件，其中所述底部電極接觸層、 所述第 一相變層和所述第二相變層由同類相變材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器件，其中所述底部電極層、所 述第 一相變層和所述第二相變層由相變材料Ge2Sb2Te5制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器件，其中程序值(PV)區(qū)形 成于所述底部電極接觸層和所述第一相變層之間的界面處。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器件，還包括插置在所述底部電 極和所述底部電極接觸層之間的Ti或TiN薄層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器件，還包括 具有源極區(qū)和漏極區(qū)的半導(dǎo)體基板；安置在所述半導(dǎo)體基板上的與所述源極區(qū)和漏極區(qū)中 一個(gè)接觸的柵絕 緣層；安置在所述柵絕緣層上的柵電極層；以及 形成于所述漏極區(qū)和所述底部電極之間的接觸插塞。
8. —種制造在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中包括相變層的相變存儲(chǔ)器件的方法，所述方法 包括(a) 開口第一絕緣層，和形成并平坦化底部電極和底部電極接觸層；(b) 在所述第一絕緣層和所述底部電極上形成第二絕緣層，并形成寬度小于所述底部電極的孔洞以暴露所述底部電極；(c) 在所述第二絕緣層上和在所述孔洞中形成相變層；(d) 在所述相變層上形成上部電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(a)包括 形成第一絕緣層；開口所述第一絕緣層，和形成所述底部電極并蝕刻掉所述底部電極的頂 端部分；在所述底部電極上添加相變材料；以及對(duì)所述相變材料平坦化以形成底部電極接觸層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述底部電極上形成Ti或TiN 薄層，再添加相變材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一所述的方法，其中所述底部電極接觸層、 所述第 一相變層和所述第二相變層由同類相變材料制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一所述的方法，其中所述底部電極層、所 述第 一相變層和所述第二相變層由相變材料Ge2Sb2Te5制成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一所述的方法，其中所述相變層采用金屬 氧化物化學(xué)氣相沉積工藝或原子層沉積工藝形成。
全文摘要
一種相變存儲(chǔ)器件及其制造方法，所述相變存儲(chǔ)器件在其存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中包括相變層，還包括底部電極；安置在底部電極上、由相變材料制成的底部電極接觸層；安置在底部電極接觸層上、寬度小于底部電極接觸層的第一相變層；安置在第一相變層上、寬度大于第一相變層的第二相變層；以及安置在第二相變層上的上部電極。
文檔編號(hào)H01L45/00GK101252169SQ20081000950
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者李孝錫, 申雄澈, 許智賢, 金基俊 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社