專利名稱：相變隨機存取存儲器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及相變隨機存取存儲器(PRAM)，更特別涉及相變隨機存取存儲器及其制造方法。
背景技術：
通常,相變隨機存取存儲器(PRAM)通過向由硫族(chalcogenide)化合物形成的相變層施加電脈沖利用非晶態(tài)和晶態(tài)之間的電阻差異來存儲數(shù)據(jù)。相變層的非晶態(tài)是通過施加高電流以使相變物質的溫度升高超過熔點并隨后進行即時冷卻得到的。相變層的晶態(tài)是通過在非晶態(tài)中施加低電流并經(jīng)過生長過程而產(chǎn)生晶核得到的。
在此，在相變隨機存取存儲器中，雖然從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉變是容易實現(xiàn)的，但是從晶態(tài)到非晶態(tài)的轉變要消耗大工作電流。
為了在相變隨機存取存儲器中降低工作電流和提高可靠性，可以使用用于形成作為受限結構的相變層的方法。
在形成受限結構中，通過鑲嵌工藝而不是蝕刻來限定孔形的相變區(qū)，并且將相變物質填充在相變區(qū)中以提高相變效率。
在使用受限結構中，如果相變物質在孔中具有均勻的組成比例，則工作電流由于相變區(qū)變寬而增加 。通常，相變層是通過化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)來填充的。在這方面，由于工藝在相對高的溫度(約300°C)下進行，所以相變區(qū)因原子間擴散和化學反應而變寬，并且工作電流增加。
而且，隨著相變隨機存取存儲器的集成度增加，單元間距減小，并且由于熱而造成干擾，使得相變隨機存取存儲器的可靠性變差。發(fā)明內容
本文描述一種相變隨機存取存儲器及其制造方法，其中相變物質在低溫下嵌入以降低所述相變隨機存取存儲器的工作電流和提高所述相變隨機存取存儲器的可靠性。
在本發(fā)明的一個實施方案中，一種相變隨機存取存儲器包括半導體襯底，其具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；和形成在所述底電極上的相變層，其中所述相變層包括第一相變層和第二相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上并且包括第一元素、第二元素和第三元素中的至少一種；所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并由所述第一元素形成以防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
在本發(fā)明的另一實施方案中，一種相變隨機存取存儲器包括半導體襯底，其具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；和形成在所述底電極之上的相變層，其中所述相變層包括第一相變層和第二相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上，并且包括第一元素與第二元素的二元化合物、第一元素與第三元素的二元化合物和第二元素與第三元素的二元化合物中的任一種；所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并包括所述第一元素與第二元素的二元化合物或所述第一元素與第三元素的二元化合物，其中所述第一元素在所述第二相變層中的比例為使得防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
在本發(fā)明的又一實施方案中，一種相變隨機存取存儲器包括半導體襯底，其具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；和形成在所述底電極之上的相變層，其中所述相變層包括第一相變層和第二相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上，并且包括第一元素、第二元素與第三元素的三元化合物；所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并由所述第一元素、第二元素與第三元素的三元化合物形成，其中所述第一元素的比例為使得防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
在本發(fā)明的另一實施方案中，一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法包括在半導體襯底之上形成底電極；使用第一元素、第二元素和第三元素中的至少一種，在所述底電極之上形成第一相變層；以及使用所述第一元素在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。
在本發(fā)明的又一實施方案中，一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法包括在半導體襯底之上形成底電極；使用第一元素與第二元素的二元化合物、第一元素與第三元素的二元化合物和第二元素與第三元素的二元化合物中的任一種，在所述底電極之上形成第一相變層；以及使用所述第一元素與第二元素的二元化合物或所述第一元素與第三元素的二元化合物，在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。
在本發(fā)明的再一實施方案中，一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法包括在半導體襯底之上形成底電極；使用第一元素、第二元素與第三元素的三元化合物，在所述底電極之上形成第一相變層；以及使用所述第一元素、第二元素與第三元素的三元化合物，在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。


結合附圖描述特征、方面和實施方案，在附圖中·
圖1A ID是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造相變隨機存取存儲器的方法的圖；和
圖2是示出本發(fā)明的該實施方案中相變層的組成比例的表。
具體實施方式
下文中，將參照附圖通過示例性實施方案描述根據(jù)本發(fā)明的相變隨機存取存儲器及其制造方法。
圖1A至ID是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方案的相變隨機存取存儲器的制造方法的圖；圖2是示出本發(fā)明的該示例性實施方案中的相變層的組成比例的表。
參照圖1A，在根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的相變隨機存取存儲器中，在半導體襯底110上形成作為字線的結區(qū)120，并且在結區(qū)120上形成開關元件140。作為開關元件 140，可沒有限制意義地使用二極管，或可使用MOS晶體管。附圖標記130表示第一層間介電層。
參照圖1B，在開關元件140上沉積第二層間介電層150，并且通過蝕刻第二層間介電層150來限定孔。此后，通過在孔的下部填充鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)并形成凹坑，從而形成底電極160。
參照圖1C，在如上所述形成的底電極160上形成由鍺(Ge)、銻(Sb)和碲(Te)構成的相變層170。在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的相變隨機存取存儲器中，相變層170可由第一相變層171和第二相變層172構成。第一相變層171和第二相變層172形成為所述層的元素之間具有不同的組成比例。
第一相變層171用作存儲器的編程區(qū)(volume)。在此，第一相變層171的相變物質可以選擇為使得第一相變層171具有低熔點并且具有使與非晶態(tài)之間能容易轉變的組成比例。
第二相變層172用作阻擋區(qū)。因此，為了防止第一相變層171因熱通過擴散而擴展，第二相變層172的相變物質可以選擇為使得第二相變層172具有高熔點并具有導致與非晶態(tài)之間的轉變更困難且具有低熱導率的組成比例。參照圖2，可以看出用于形成第二相變層172的相變物質包括鍺(Ge)。這是因為鍺(Ge)在相變物質中具有低熱導率。
參照圖2，第一相變層171和第二相變層172中的每一個可分別例如只由一種相變物質形成。例如，第一相變層171可由鍺(Ge)銻(Sb)和碲(Te)中的任意一種形成，而第二相變層172可只由鍺(Ge)形成。
此外，第一相變層171和第二相變層172中的每一個可由二元化合物構成，其中該二元化合物由兩種相變元素(即，第一相變元素和第二相變元素)形成。根據(jù)一個實施例， 第一相變層171可由鍺(Ge)-銻(Sb)、鍺(Ge)-碲(Te)和銻(Sb)-碲(Te)中的任意一種形成，第二相變層172可由鍺(Ge)-銻(Sb)和鍺(Ge)-碲(Te)中的任意一種形成。在使用鍺(Ge)-銻(Sb) 二元化合物的情況下，當鍺(Ge)具有O. 1-0. 9 (即，10% -90% )的組成比時，銻(Sb)具有(1-鍺(Ge))的組成比；在使用鍺(Ge)-碲(Te) 二元化合物的情況下，當鍺(Ge)具有O. 5-0.9的組成比時，碲(Te)具有(1-鍺(Ge))的組成比。在使用銻(Sb)-碲 (Te) 二元化合物的情況下，當銻(Sb)具有O. 4-0.9的組成比時，碲(Te)具有(1-銻(Sb)) 的組成比。鍺(Ge)的組成比可設定得較高以確保第二相變層172的特性。
此外，第一相變層171和第二相變層172中的每一個可由三元化合物構成。根據(jù)一個實施例，第一相變層171和第二相變層172中的每一個由鍺(Ge)-銻(Sb)-碲(Te)形成。就其組成比，例如，當鍺(Ge)在用于三元化合物中的鍺的O. 01-0. 5的組成比中設定為 O. 3時，假設銻(Sb)在用于三元化合物中的銻的O. 1-0. 9的組成比中設定為O. 5，則碲(Te) 在用于三元化合物中的碲的O. 1-0. 6的組成比中設定為O. 2。這樣，第一相變層171和第二相變層172具有不同的組成比。
相變層170通過化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)填充。由于進行在200°C 以下的低溫工藝，所以 可防止第一相變層171的區(qū)域即存儲區(qū)(volume)的區(qū)域增大，由此可以減小工作電流，并且可以通過減少熱致干擾而增加相變隨機存取存儲器的可靠性。
參照圖1D，通過對由此方式形成的相變層170進行平坦化或回蝕，相變層170形成為具有限定結構。
在相變層170上使用鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)形成頂電極180。
利用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的相變隨機存取存儲器及其制造方法，設定相變層的組成比以防止熱致干擾并且不使相變區(qū)(編程隨機存取存儲器區(qū))變寬，由此可提高相變隨機存取存儲器的可靠性。
雖然前文已經(jīng)描述了特定實施方案，但是其只是示例性的。相反，根據(jù)示例性實施方案的相變隨機存取存儲器及其制造方法應當包括與該示例性實施方案的前述技術特征一致的任何其它合理適合的實施方案。
權利要求
1.一種相變隨機存取存儲器，包括 半導體襯底，所述半導體襯底具有形成在所述半導體襯底上的底電極；以及 相變層，所述相變層形成在所述底電極之上，其中，所述相變層包括 第一相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上并且包括第一元素、第二元素和第三元素中的至少一種；以及 第二相變層，所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并由所述第一元素形成以防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
2.根據(jù)權利要求1所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述第一元素是鍺Ge，所述第二元素是銻Sb，以及所述第三元素是碲Te。
3.根據(jù)權利要求1所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述相變層通過化學氣相沉積或原子層沉積來形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述相變層在等于或低于200°C的低溫下形成。
5.一種相變隨機存取存儲器，包括 半導體襯底，所述半導體襯底具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；以及 相變層，所述相變層形成在所述底電極之上，其中，所述相變層包括 第一相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上，并包括第一元素和第二元素的二元化合物、第一元素和第三元素的二元化合物以及第二元素和第三元素的二元化合物中的任一種；以及 第二相變層，所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并包括所述第一元素與所述第二元素的二元化合物或所述第一元素與所述第三元素的二元化合物，其中，所述第一元素在所述第二相變層中的比例是使得防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
6.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述第一元素是鍺Ge，所述第二元素是銻Sb，以及所述第三元素是碲Te。
7.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中的每一個由所述第一元素和所述第二元素的二元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 1-0. 9的組成比。
8.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中的每一個由所述第一元素和所述第三元素的二元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 5-0. 9的組成比。
9.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，當所述第一相變層由所述第二元素和所述第三元素的二元化合物形成 時，所述第二元素在所述第一相變層中具有O.4-0. 9的組成比。
10.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述相變層通過化學氣相沉積或原子層沉積來形成。
11.根據(jù)權利要求5所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述相變層在等于或低于200°C的低溫下形成。
12.—種相變隨機存取存儲器，包括半導體襯底，所述半導體襯底具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；以及 相變層，所述相變層形成在所述底電極之上，其中，所述相變層包括 第一相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上，并包括第一元素、第二元素以及第三元素的三元化合物；以及 第二相變層，所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上，并由所述第一元素、所述第二元素以及所述第三元素的三元化合物形成，其中所述第一元素的比例是使得防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
13.根據(jù)權利要求12所述的相變隨機存取存儲器，其中，所述第一元素是鍺Ge，所述第二元素是銻Sb，以及所述第三元素是碲Te。
14.根據(jù)權利要求12所述的相變隨機存取存儲器，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中的每一個由所述第一元素、所述第二元素以及所述第三元素的三元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 01-0. 5的組成比，所述第二元素在所述相變層中具有O. 1-0. 9的組成比，以及所述第三元素在所述相變層中具有O. 1-0. 6的組成比。
15.一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法，包括 在半導體襯底之上形成底電極； 使用第一元素、第二元素以及第三元素中的至少一種，在所述底電極上形成第一相變層；以及 使用所述第一元素在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述第一元素是鍺Ge，所述第二元素是銻Sb，以及所述第三元素是碲Te。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，在等于或低于200°C的低溫下形成所述第一相變層和所述第二相變層。
18.一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法，包括以下步驟 在半導體襯底之上形成底電極； 使用第一元素和第二元素的二元化合物、第一元素和第三元素的二元化合物以及第二元素和第三元素的二元化合物中的任一種，在所述底電極之上形成第一相變層；以及 使用所述第一元素和所述第二元素的二元化合物或所述第一元素和所述第三元素的二元化合物，在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述第一元素是鍺Ge，所述第二元素是銻Sb，以及所述第三元素是碲Te。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中每一個由所述第一元素和所述第二元素的二元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 1-0. 9的組成比。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中的每一個由所述第一元素和所述第三元素的二元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 5-0.9的組成比。
22.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中當所述第一相變層由所述第二元素和所述第三元素的二元化合物形成時，所述第二元素在所述第一相變層中具有O. 4-0. 9的組成比。
23.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，通過化學氣相沉積或原子層沉積來形成所述相變層。
24.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，在等于或低于200°C的低溫下形成所述第一相變層和所述第二相變層。
25.一種用于制造相變隨機存取存儲器的方法，包括以下步驟 在半導體襯底之上形成底電極； 使用第一元素、第二元素以及第三元素的三元化合物，在所述底電極之上形成第一相變層；以及 使用所述第一元素、第二元素與第三元素的三元化合物，在所述第一相變層的表面之上形成第二相變層。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述第一元素是鍺(Ge)，所述第二元素是銻(Sb)，以及所述第三元素是碲(Te)。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，當所述第一相變層和所述第二相變層中的每個由所述第一元素、所述第二元素以及所述第三元素的三元化合物形成時，所述第一元素在所述相變層中具有O. 01-0. 5的組成比，所述第二元素在所述相變層中具有O. 1-0. 9的組成比，以及所述第三元素在所述相變層中具有O. 1-0. 6的組成比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變隨機存取存儲器，包括半導體襯底，其具有形成在所述半導體襯底之上的底電極；和形成在所述底電極之上的相變層。所述相變層包括第一相變層和第二相變層，所述第一相變層形成在所述底電極之上并且包括第一元素、第二元素和第三元素中的至少一種；所述第二相變層形成在所述第一相變層的表面之上并由所述第一元素形成以防止所述第一相變層的區(qū)域通過擴散而增加。
文檔編號H01L45/00GK103022349SQ20121024660
公開日2013年4月3日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權日2011年9月26日
發(fā)明者李 根 申請人:愛思開海力士有限公司